física avances en la b´usqueda del sitio para el observatorio astron

FÍSICA
Acta Cientı́fica Venezolana, 66(2): 89–94, 2015
AVANCES EN LA BÚSQUEDA DEL SITIO PARA EL
OBSERVATORIO ASTRONÓMICO COLOMBIANO
Giovanni Pinzón,1 Danilo González1 y Jesús Hernández2
1
Observatorio Astronómico, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia
2
Centro de Investigaciones de Astronomı́a, (CIDA), Mérida, Venezuela
Recibido: 24/04/2015
Corregido: 13/07/2015
Aceptado: 03/08/2015
RESUMEN Se presentan resultados preliminares de un estudio sobre la calidad de cielo para observaciones
astronómicas en Colombia. Se basan en el análisis de imágenes nocturnas del satélite GOES en los canales
6,7 y 10,7 µm al comienzo, a la mitad y al final de cada una de las noches del año 2012. Nuestra metodologı́a
incluye el análisis de series de tiempo de temperatura en tierra a través del aservo histórico de estaciones
meteorológicas e información de temperatura en la atmósfera en 8, 9 y 10 km, obtenida a partir de datos de
archivo de radiosondas para el mismo año. Se establecieron criterios en cada uno de los canales infrarojos
con el fin de determinar la presencia de nubes sobre gran parte del territorio colombiano y el occidente
de Venezuela. Los resultados de la fracción de cielo despejado en la noche se validaron con los reportes
de horas de observación de la bitácora del Observatorio Nacional de Llano del Hato en Mérida, Venezuela,
obteniendo una diferencia porcentual acumulada en los cinco años inferior al 15 %. Si bien se identifican cinco
lugares seleccionados, es necesario extender el estudio incluyendo más años, además de realizar un monitoreo
continuo y a largo plazo de la calidad del cielo en los lugares seleccionados antes de iniciar cualquier proyecto
de infraestuctura astronómica basado en estos resultados. Palabras claves: imágenes GOES, fracción de
cielo despejado, estaciones meteorológicas.
ADVANCES IN THE SITE PROSPECTION FOR THE
COLOMBIAN ASTRONOMICAL OBSERVATORY
ABSTRACT We present preliminary results of a sky quality study for astronomical observations in Colombia. The study is based on GOES images at 6.7 and 10.7 µm infrared bands at three instants during the
nights of 2012. Our methodology includes the analysis of long records of temperature obtained from historical records of weather stations and radiosondes. Criteria at each infrared band were established in order to
confirm cloud presence over the Colombian territory, western Venezuela and the north of Ecuador. Method
validation was performed by using ground data obtained from the logbooks of the Observatorio Nacional de
Llano del Hato in Mérida, Venezuela, obtaining percentage differences below 15 %. Five sites were identified as potential for astronomical observations. However, it is highly recommendable to conduct further site
testing before starting any astronomical infrastructure project based on these results. Keywords: GOES
images, clear sky fraction, weather stations.
INTRODUCCIÓN
La identificación de sitios apropiados para la ubicación de instrumentación astronómica en el óptico e
infrarojo requiere la determinación de la fracción de
cielo despejado (CSF por sus siglas en inglés) en el
lugar de observación. La CSF depende no solamente
del instante de observación sino también de la altura del lugar y de la resolución espacial con la cual se
desea hacer la predicción. Si bien la inspección visual
ha sido utilizada mucho en el pasado para la estimación de la CSF, esta metodologı́a tiene un alto grado
de subjetividad, por lo que métodos alternos que utilizan imágenes satelitales obtenidas en uno o varios
90
Pinzón et al.
canales del infrarojo son de uso más frecuente. Tradicionalmente se han utilizado la banda B3 centrada
en 6,7 µm y la banda B4 centrada en 10,7 µm debido
a que en B3 se registra la emisión del vapor de agua
de la troposfera superior (entre 8 y 10 km), mientras
que B4 es sensible a emisión en alturas del orden de
4 km.
La metodologı́a estándar para la determinación de
la CSF consiste en obtener la temperatura de brillo
en cada pixel a partir de los datos de radianza instrumental a través de la inversión de la función de Planck
en cada banda infraroja. Esta temperatura corresponde a la de la superficie de la Tierra en el caso en el
que el pixel se encuentre despejado, o a la de la superficie de la cara de la nube que ve el satélite en caso
que el pixel se encuentre cubierto. Posteriormente, se
compara dicha temperatura con una de referencia o
umbral previamente definida. Si en un pixel e instante
determinados la temperatura de brillo resulta mayor
al umbral, entonces dicho pixel está despejado en ese
instante; en caso contrario, el pixel está cubierto por
nubes.
No existe una metodologı́a estándar para la determinación de la temperatura umbral en un pixel determinado y en una banda infraroja. Algunos algoritmos1, 2 que usan imágenes en la banda B4 obtienen la
temperatura umbral usando cerca de 150 imágenes a
lo largo de cada mes durante dos años (2008 y 2009).
El valor de T0 se define a partir del valor promedio y
la desviación estándar mensual en cada pixel. Otros
algoritmos3 incluyen el análisis en dos bandas infrarojas, pero utilizan resultados de un modelo atmosférico
con el fin de determinar la temperatura umbral en cada pixel. En este trabajo, presentamos valores de CSF
para una región amplia que incluye Colombia, el occidente de Venezuela y una pequeña fracción del norte
del Ecuador, obtenidos usando un algoritmo propio y
novedoso en el que los valores umbrales se determinan utilizando los registros históricos de temperatura
de estaciones meteorológicas y datos de archivo de
radiosondeos.
En este reporte se realiza una descripción del algoritmo implementado, se presentan los resultados obtenidos y, finalmente, se establecen algunas conclusiones y perspectivas a futuro.
mensual de cielo despejado en un lugar determinado
dentro de una región amplia de Colombia, el occidente
de Venezuela y el norte del Ecuador. Dicho algoritmo utiliza imágenes obtenidas de la base de datos del
satélite GOES 13 para el año 2012 y registros mensuales de temperatura en la superficie y en la alta
troposfera (8–10 km) para el mismo año. La validación del algoritmo se realizó con medidas in situ del
cubrimiento de cielo durante la noche para el mismo
año, obtenidas de la bitácora del Observatorio Nacional de Llano del Hato en Mérida, Venezuela. La
Figura 1 corresponde a la comparación de dichas medidas con las predicciones obtenidas con el algoritmo
presentado en este trabajo. Las diferencias absolutas
resultan inferiores al 15 %.4
A continuación se describe el procedimiento para la
determinación de la temperatura de referencia o umbral en cada banda infraroja. Para la banda B3, dicha
temperatura umbral se obtiene de datos de archivo de
radiosonda, mientras que para la banda B4 el umbral
se obtiene a partir de interpolación espacial de los
registros históricos de estaciones meteorológicas.
ALGORITMO
Imágenes del satélite GOES 13
CSF Mensual Algoritmo (%)
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
CSF Mensual CIDA (%)
Figura 1: Comparación entre la fracción de cielo despejado registrada en el Observatorio Nacional de Llano del
Hato para el año 2012 con las predicciones del algoritmo
presentado en este trabajo. Cada punto corresponde a un
valor de CSF mensual.
Con el fin de determinar los sitios con la mayor
El satélite GOES (Geostationary Operational Encantidad de noches despejadas por año, se diseñó e viromental Satellite) se encuentra equipado con deimplementó un algoritmo que predice el porcentaje tectores en distintas bandas en el infrarojo, en par-
Observatorio astronómico colombiano
91
ticular B3 y B4. El archivo de datos contiene información de varios años por lo que estas imágenes son
muy útiles para la determinación de la CSF. El dominio temporal cubierto en este estudio corresponde al año 2012. Se obtuvieron tres imágenes por noche en cada banda en los tres instantes 00:15 UTC,
06:45 UTC y 09:45 UTC, con lo cual se logra un cubrimiento eficiente de cada noche. La conversión a
radianza instrumental en cada pixel se realiza utilizando las rutinas idl proporcionadas en el sitio web
del National Oceanic and Atmospheric Administration (http://www.ncdc.noaa.gov).
25
20
15
10
5
12
0
10
-5
8
6
Registros históricos de temperatura del
IDEAM
Latitude (in degrees)
70
71
4
72
73
74
2
La red de estaciones meteorológicas del Instituto
de Hidrologı́a, Meteorologı́a y Estudios Ambientales
(IDEAM) provee registros históricos de temperatura
y precipitación media mensual con hasta 40 años de
antigüedad. El archivo completo contiene cerca de 400
registros de estaciones localizadas en altitudes entre
400 y 4700 m sobre el nivel del mar. Sin embargo, los
datos contienen muchos faltantes por lo que, al considerar solo aquéllos con faltantes de máximo un valor
mensual, se obtienen 63 estaciones distribuidas irregularmente entre 72 y 76 grados de Longitud Oeste
y entre 3 y 7 grados de Latitud Norte. Usando estos
registros históricos definimos la temperatura mensual
T0 de referencia o umbral en cada estación para uso
en la banda B4 de la siguiente forma:
T0 ≡
1
[Tmin − Tmin,tr ]
2
(1)
donde Tmin,tr representa la correlación observada entre registros históricos del IDEAM con la altura en
todas las estaciones meteorológicas, y Tmin =< Ts >
−3σs es la temperatura mı́nima mensual en la estación, siendo σs la desviación estándar de los registros
históricos mensuales. Con el objetivo de realizar una
comparación pixel a pixel entre la imágen satelital,
se requiere interpolar los registros mensuales históricos del IDEAM. El método que se utiliza para realizar la interpolación es el Método Kriging Ordinario
el cual es de uso común en estudios de geoestadı́stica.
El valor interpolado de la temperatura en un punto
en donde no existe estación meteorológica depende
débilmente de los valores de temperatura en estaciones muy alejadas de dicho punto, y fuertemente de
los valores de temperatura de las estaciones más cercanas.
75
76
0
77
78
Longitude (in degrees)
Figura 2: Mapa de temperatura umbral T0 para la región bajo estudio obtenida a partir de interpolación espacial usando el Método Kriging Ordinario de los registros
históricos de temperatura del IDEAM.
La implementación del Método de Kriging permite cuantificar la dependencia lineal entre la temperatura de referencia o umbral con la altura del lugar.
Este resultado es fundamental ya que permite obtener temperatura de referencia en cualquier pixel de
la imagen con el conocimiento previo de la altura del
lugar, lo cual es sin duda más sencillo. De esta manera extendemos las predicciones de nuestro algoritmo
a lugares fuera del área definida por la distribución
espacial de la red de estaciones del IDEAM, incluyendo el Occidente de Venezuela y el norte del Ecuador.
Los resultados de dicha interpolación se muestran en
la Figura 2.
Temperatura atmósferica entre 8 y 10 km
Las imágenes GOES en la banda centrada en
10,7 µm proporcionan información de la estructura
vertical de la troposfera baja hasta unos 4 km. La
temperatura de brillo de la parte superior de la troposfera entre 8 y 10 km se obtiene3, 5 con imágenes satelitales centradas en 6,7 µm. De igual forma a cómo
se define una temperatura de referencia en la superficie para las imágenes en la banda 10,7 µm, la determinación del porcentaje de cielo claro en la alta
troposfera requiere una definición de la temperatura
92
Pinzón et al.
de referencia. Dicha definición se construye a través
de los datos de temperatura obtenidos en los archivos
históricos de radiosodeos.
La base de datos de la Universidad de Wyoming
(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)
proporciona información sobre la temperatura,
humedad, presión y composición en función de la
altura en las estaciones 80222 SKBO (74◦ 9′ 0′′ 5W,
4◦ 42′ 0′′ N, 2546 m) sobre los Andes y 78988 TNCC
(68◦ 57′ 36′′ W, 12◦ 11′ 60′′ N, 54 m) en la costa Caribe.
Se obtuvieron dos valores diarios de temperatura
entre 8 y 10 km a partir de una interpolación
lineal. Se utilizaron cerca de 60 registros sumando
la información de las dos estaciones con resolución
entre 200 y 600 m.
METODOLOGÍA
El algoritmo desarrollado permite obtener el porcentaje de cielo claro tres veces durante cada una de
las noches del año 2012, a través de la comparación de
la temperatura obtenida del análisis de imágenes satelitales de Colombia en dos bandas en el infrarojo y,
para una fecha dada, con los registros históricos mensuales de temperatura proporcionados por estaciones
meteorológicas en tierra, y con registros de temperatura de la alta troposfera obtenidos de bases de datos
de radiosondeos.
La comparación se realiza pixel a pixel entre los valores de temperatura de brillo obtenidos a partir de la
radianza medida en las imágenes satelitales del GOES
en 10,7 µm (B4), con la temperatura proveniente del
aservo histórico de temperaturas IDEAM. Si la temperatura histórica en un sitio determinado es menor
que la temperatura obtenida con la imágen satelital,
entonces el sitio tiene el cielo claro en el instante de
comparación y a una altitud de 4 km. Un pixel está
oscurecido por nubes a esta altitud si la temperatura
obtenida a partir de la radianza espectral es menor
que aquélla que se obtiene vı́a los registros históricos
del IDEAM. Por lo tanto, en la banda 10,7 µm la
condición para presencia de nubes de baja altitud en
la vertical de un pixel es
if TB4,i ≥ T0 −→ claro
de lo contrario −→ cubierto
(2)
en donde T0 es un parámetro mensual dependiente de
la altura. Una vez que un pixel se clasifica como cubierto en esta banda, también lo estará en la banda
6,7 µm; por el contrario, si dicho pixel es clasificado como claro en 10,7 µm, es necesario verificar su
clasificación en 6,7 µm. El pixel se clasifica como claro cubierto en esta banda y a una altura H sobre la
vertical de la siguiente manera:
if < TH > − TB3,i ≤ 3σH
−→ claro
de lo contrario −→ cubierto
(3)
en donde TH y σH son el valor medio de la temperatura y la desviación estándar a la altura H = 8, 9 y
10 km, respectivamente.
Para cada altura H se realiza una clasificación de
la noche basado en el CSF para tres instantes. Si
CSF ≥ 33 %, la noche es espectroscópica (Q50), mientras que si CSF ≥ 67 %, la noche es fotométrica (Q70).
Esta clasificación se basa solamente en el grado de cubrimiento nocturno de nubes, y no se encuentra asociada a la calidad del cielo propiamente.
RESULTADOS OBTENIDOS
El análisis de las imágenes del satélite GOES 13
para el año 2012, con la metodologı́a discutida en la
sección anterior, conduce a los mapas de fracción de
cielo claro para noches espectroscópicas (Q50) y para
noches fotométricas (Q70) presentados en la Figura 3.
Se seleccionaron cinco lugares con CSF-Q50 superior
al 30 %. La región con mayor número de noches claras
a lo largo del año se localiza sobre los Andes Venezolanos entre el Observatorio Nacional de Llano del
Hato y la ciudad de Timotes (TIM) con 269 noches
espectroscópicas claras, seguido del lugar cercano a
Mérida (MER) con 174 noches claras por año.
El mejor sitio en territorio Colombiano se encuentra en la parte nororiental de la Sierra Nevada de
Santa Marta con 159 noches despejadas por año. Lugares con 134 noches se encuentran al occidente de la
Sierra Nevada del Cocuy en una región centrada en
Chitagá (Santander) en la parte oriental de los Andes.
El resto de lugares sobre los Andes presenta valores
inferiores de noches claras por año, mientras que lugares de baja altitud presentan un número de noches
claras por año del orden de cuarenta. Se destaca también una región amplia en la Serranı́a del Perijá, muy
cerca de Codazzi en Cesár en la frontera con Venezuela, con 127 noches despejadas por año. La Tabla 1
resume la información relevante de cada uno de los
sitios identificados con la metodologı́a implementada
en este trabajo.
Los cinco lugares seleccionados de la Tabla 1 son
representativos del año 2012. La extrapolación a otra
época requiere extender el estudio a un número mayor
Observatorio astronómico colombiano
ID
TIM
CIDA
NAB
CAC
COD
Sitio Ref.
Timotes (Ven.)
Cida (Ven.)
Mamankana (Col.)
Chitagá (Col.)
Codazzi (Col.)
93
Lon.
70◦ 28′ 48′′
70◦ 52′ 12′′
73◦ 31′ 12′′
72◦ 43′ 12′′
73◦ 2′ 24′′
Lat.
9◦ 5′ 60′′
8◦ 47′ 24′′
10◦ 55′ 12′′
7◦ 1′ 12′′
10◦ 8′ 24′′
Alt.(m)
3480
3600
3300
4060
2620
CSF( %)
73,82 ± 7,0
47,78 ± 4,9
43,67 ± 4,9
36,81 ± 3,0
34,92 ± 3,1
No. Noches
269
174
159
134
127
Tabla 1: Lugares potenciales identificados para noches espectroscópicas durante el año 2012. El No. de Noches se
obtiene utilizando la relación CSF×3,65.
de años, además de la implementación de un análisis
estadı́stico que permita confirmar uniformidad en la
CSF en cada lugar. Los resultados consolidados a cinco años se presentarán en un próximo trabajo.4
Finalmente, es importante resaltar la necesidad de
realizar un monitoreo continuo y a largo plazo de la
calidad del cielo para observaciones astronómicas en
los lugares identificados en este trabajo. En particular, realizar medidas de turbulencia atmosférica, coeficiente de extinción y variables meteorológicas durante por lo menos un año, con el fin de determinar posibles correlaciones con cambio climático, topografı́a del terreno y variabilidad local en los lugares
de interés. No se recomienda utilizar los resultados
presentados en este trabajo para iniciar el desarrollo
de proyectos de infraestructura astronómica sin antes
realizar dicho monitoreo observacional.
CONCLUSIONES
Se presentan los resultados de los avances de la
búsqueda de un sitio para el observatorio astronómico colombiano. Se identificaron cinco lugares en una
región amplia que cubre Colombia, el occidente de
Venezuela y el norte del Ecuador.
La identificación de los lugares se realiza mediante
el diseño e implementación de un algoritmo para la
determinación de la fracción de cielo despejado, utilizando datos de archivo de estaciones meteorológicas y
datos de archivo de radiosondeos. La validación del algoritmo se realiza con datos de cubrimiento de nubes
obtenidas en la bitácora del Observatorio Nacional de
Llano del Hato para el año 2012.
El mejor lugar, con 269 noches espectroscópicas
despejadas por año, se encuentra en la parte central
de los Andes Venezolanos en un lugar a 35 km al
Figura 3: Fracción de cielo despejado en Colombia, Oc- noroeste de la ciudad de Timotes muy cerca del área
cidente de Venezuela y Norte del Ecuador obtenida usando protegida del Parque Nacional General Cruz Carrillo.
el algoritmo presentado en este trabajo.
Lugares con entre 130 y 170 noches despejadas por
año se observan en Colombia, particularmente en la
94
Pinzón et al.
parte norte de la Sierra Nevada de Santa Marta y en D.C., Colombia.
la region nororiental de los Andes colombianos en los CE: [email protected]
lı́mites de los departamentos de Boyacá y Santander.
En un trabajo futuro, actualmente en preparación,
se presentarán los resultados consolidados incluyendo un análisis a cinco años, con el fin de confirmar
la selección incial de los cinco lugares preliminares
sugeridos en el presente estudio.
AGRADECIMIENTOS
El desarrollo de este trabajo ha sido posible gracias
al apoyo de COLCIENCIAS, el IDEAM y la Universidad Nacional de Colombia a través del proyecto No.
110152129320. Este trabajo usa datos pertenecientes
al OAN-Venezuela el cual funciona bajo la dirección
del Ministerio para el Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnologı́a de Venezuela.
Los autores agradecen la invaluable colaboración del
personal técnico del OAN en la creación de la base de
datos con la cual se validó el algoritmo presentado en
este trabajo.
REFERENCIAS
1. Cavazzani, S., Ortolani, S., Zitelli, V., Maruccia, Y. Fraction of clear skies above astronomical sites: a new analysis from the GOES12 satellite. Mon. Not. R. Astron. Soc., 411:1271, 2011.
2. Cavazzani, S., Zitelli, V. Satellite characterization of four interesting sites for astronomical instrumentation. Mon. Not. R. Astron. Soc.,
429:1849, 2013.
3. Hidayat, T., Mahasena, P., Dermawan, B.,
Hadi, P., Premadi, P.W. Clear sky fraction
above Indonesia: an analysis for astronomical site selection. Mon. Not. R. Astron. Soc., 427:1903,
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4. Pinzón, G., González,
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Astron. Soc. Pac., envı́ado
D., Hernández, J.
sites for astronomical
South-America. Publ.
a publicación, 2015.
5. Erasmus, D.A., Sarazin, M. Utilizing satellite
data for evaluation and forecasting applications at
astronomical sites. ASP Conf. Ser., 266:310, 2002.
∗ Correspondencia:
Giovanni Pinzón, Observatorio
Astronómico, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Carrera 45, No 26-85, Bogotá