anexo_10 metodología para la evaluación de la capa límite

Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
ANEXO 10
METODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN DE LA CAPA LÍMITE
PLANETARIA Y LA ELABORACIÓN DEL DIAGNÓSTICO Y
PRONÓSTICO DE LA ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
CONTENIDO
Lista de tablas
Lista de figuras
ii
iii
Página
INTRODUCCIÓN
1
METODOLOGÍA SEGUIDA POR EL IDEAM PARA
LA DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DE LA CAPA
DE MEZCLA.
2
2
ALGORITMOS DE CÁLCULO
3
2.1
ALGORITMO PARA RECONSTRUIR EL BALANCE
ENERGÉTICO SUPERFICIAL
3
ALGORITMO PARA DEDUCIR LOS PARÁMETROS
TURBULENTOS EN HORAS DIURNAS
4
ALGORITMO PARA DEDUCIR LOS PARÁMETROS
TURBULENTOS EN HORAS NOCTURNAS
6
ALGORITMO PARA ESTIMAR LA ALTURA DE
CAPA DE MEZCLA
6
ALGORITMO PARA DETERMINAR LA CATEGORÍA
DE ESTABILIDAD DE PASQUILL – GIFFORD
10
PRODUCTOS DEL PROGRAMA CAPLIM – IDEAM,
MODELO MICRO METEOROLÓGICO EN BOGOTÁ
12
INFORME SUMINISTRADO DIARIAMENTE POR EL
IDEAM AL DAMA
15
5
INFORMACIÓN UTILIZADA
16
6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
19
2.2
2.3
2.4
2.5
3
4
REFERENCIAS
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
21
i
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
LISTA DE TABLAS
Página
5
Tabla 1
Valores característicos de rugosidad superficial.
Tabla 2
Categoría de Estabilidad Pasquill-Gifford para horas
diurnas
11
Categoría de Estabilidad Pasquill-Gifford para horas
nocturnas
11
Tabla 3
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
ii
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 1
Ejemplo de perfil vertical de temperatura potencial para
Bogotá
7
Figura 2
Ventana de ingreso de datos y resultados
12
Figura 3
Datos de entrada y cálculos de variables
12
Figura 4
Balance energético superficial
13
Figura 5
Parámetros turbulentos
13
Figura 6
Altura de la capa de mezcla
14
Figura 7
Categorías de estabilidad Pasquill- Gifford
14
Figura 8
Velocidad de fricción y vertical de escala
15
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
iii
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
INTRODUCCIÓN
El presente anexo trata específicamente los puntos: “Evaluación de las
metodologías que utiliza el DAMA para el diagnóstico y pronóstico de la
estabilidad atmosférica” y “Verificación de la utilización de modelos para evaluar la
calidad del aire y el estado de la capa límite planetaria”, planteados en el actual
convenio, como actividades y productos a ser desarrollados por el equipo auditor.
Sin embargo vale la pena aclarar que como tal, el DAMA no utiliza una
metodología particular, para el diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica, así mismo, no emplea modelos para evaluar el estado de la capa
límite planetaria, sino que, utiliza la información procesada por el IDEAM para
presentar un análisis de estos parámetros.
Los datos con los cuales se genera la información que es enviada al DAMA, son
obtenidos a partir de mediciones diarias de radiosondeo llevadas a cabo en la
estación del IDEAM ubicada en el aeropuerto El Dorado. Estos datos procesados
y modelados, son utilizados por el DAMA para completar el análisis de inversiones
térmicas y la variación de la altura de capa de mezcla, que se muestran en la
información disponible para ser consultada por los interesados, a través de la
página Web del DAMA.
Las instituciones y los expertos internacionales que asesoran el proyecto, han
realizado una revisión de las metodologías que sigue el IDEAM, en la
determinación de la estabilidad del perfil atmosférico y la estimación de la altura de
la capa de mezcla para la ciudad de Bogotá.
Como elementos constitutivos de este aparte, en primer lugar se presenta en
detalle, la metodología que adelanta el IDEAM para el establecimiento del
pronóstico de estabilidad atmosférica, la cual ha sido revisada por el CENMA,
emitiéndose por parte de esta institución, un concepto favorable a la
fundamentación teórica y desarrollo procedimental que se utiliza en dicha
metodología.
También se ilustra sobre el actual procedimiento interinstitucional, que permite el
intercambio de información entre el IDEAM y el DAMA, y por el cual es posible
transmitir los resultados derivados de los ejercicios diarios de modelamiento y
análisis de los datos meteorológicos y ambientales que el IDEAM recaba y
almacena de sus sistemas de monitoreo y vigilancia.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
2
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Así mismo las conclusiones y recomendaciones que aparecen al final, son
tomadas del informe1 realizado por el CENMA (Capítulo 5. Comentarios sobre el
procesamiento de la información y generación de reportes), que en general
apuntan hacia una utilización más extendida de la información generada por el
IDEAM, que podrá utilizarse para la ampliación de los diagnósticos y pronósticos
de las condiciones de dispersión de los contaminantes en la ciudad y su relación
con la calidad del aire.
Algunos términos que son utilizados en el desarrollo matemático que incluye este
anexo, y que se relacionan con variables meteorológicas son citados en el
respectivo glosario de la auditoria.
1. METODOLOGÍA SEGUIDA POR EL IDEAM PARA LA DETERMINACIÓN DE
LA ALTURA DE LA CAPA DE MEZCLA.
La capa de mezcla determina el alcance vertical del proceso de dispersión de los
contaminantes liberados debajo de ella. Se trata de una variable importante para
los estudios de calidad del aire ya que limita la dispersión vertical de los
contaminantes. Si bien las alturas de mezcla generalmente no se miden
directamente, es posible obtener cálculos aproximados a partir de las mediciones
meteorológicas rutinarias.
Para la utilización de cualquier modelo de simulación de la dispersión de los
contaminantes en el aire, se necesita del conocimiento de la micrometeorología
del lugar donde se está operando, en particular la altura de la capa de mezcla. Por
lo general, las alturas de mezclado producidas por la mañana y por la tarde se
estiman a partir de los perfiles tanto de temperatura vertical tomados a la salida y
puesta del sol, como de temperatura superficial.
Los perfiles de la temperatura vertical generalmente se miden con radiosondas;
instrumentos transportados y elevados a través de globos más ligeros que el aire
(esto es, globos generalmente llenos de hidrógeno o helio). En la utilización de
modelos de la calidad del aire, las alturas de mezcla por hora se pueden estimar a
partir de los valores de altura de mezcla; tomados dos veces al día (a la salida y la
puesta del sol) y las categorías de estabilidad atmosférica de cada hora.
CENTRO NACIONAL DEL MEDIO AMBIENTE – CENMA. Asesoría al Proceso de Auditoría al
Diseño y Operación de la Red de Monitoreo de Calidad de Aire de Bogotá. Informe Final. Chile,
Junio 7, 2002.
1
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
3
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
2. ALGORITMOS DE CÁLCULO
A continuación se presentan las relaciones utilizadas en los algoritmos específicos
para determinar los parámetros turbulentos dentro de la capa superficial; que son
el punto de partida para determinar la altura de capa de mezcla.
2.1.
ALGORITMO PARA
SUPERFICIAL
RECONSTRUÍR
EL
BALANCE
ENERGÉTICO
Usando el Método de Balance Radiativo, se reconstruyó la Radiación Solar Global
(Rg) y la Radiación Neta (Rn) de la manera siguiente (Ref. 1):
 cálculo del ángulo de declinación solar 
 2 d  d r  

dy


   r cos
[1]
donde, r es la latitud del Trópico del Cáncer (23.45°), d es el día juliano, dr es
el día 173 y dy es el número de días en un año (365).
 cálculo del ángulo de elevación solar 
 t 

sen   sen  sen   cos  cos  cos utc    e 
 12 

[2]
donde  y e son la latitud y la longitud respectivamente (en radian) y t uct es tL-tF
donde tL es la hora local y tF es la “time zone”.
 Cálculo de la Radiación Solar Global: cuando el ángulo de elevación solar es
positivo (es decir en las horas diurnas) Rg se calcula como (Kasten y Czeplak,
1980)

R g  a1 sen   a 2  1  b1 N b2

[3]
donde N es la nubosidad y las constantes a1, a2, b1, b2 toman los valores 990, 30, -0.75 y 3.4 respectivamente. Cuando la elevación solar es negativa, R g es
igual a cero.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
4
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
 Cálculo de la Radiación Neta:
Rn 
1   R
g
 c1T 6  c2 N  T 4
[4]
1  c3
donde T es la temperatura (K) del aire,  es el coeficiente de “albedo” y
c1  531
.  10 31
c2  60
c3  012
.
 = 5.67  10-8
Para estimar el flujo de calor en el suelo G, el flujo turbulento de calor sensible H0 ,
el flujo turbulento de calor latente HE y para la estimación de los otros parámetros
que definen el nivel de turbulencia en la Capa Superficial se usa el siguiente
método.
2.2. ALGORITMO PARA DEDUCIR LOS PARÁMETROS TURBULENTOS EN
HORAS DIURNAS
En las horas diurnas el modelo determina los parámetros del Balance Energético
Superficial, estimando los términos que los componen, en particular:
 Flujo de calor sensible: H 0  0.3Rg  A
donde A = 2.4N - 25.5 y N es la nubosidad.
[5]
 Flujo de calor en el suelo: G  Rn ( igual a 0.1)
[6]
 Flujo de Calor latente: H E   Rn  G  H 0
[7]
 Velocidad de fricción: Este parámetro se calcula a través del conocimiento de
H0 y de la relación de similaridad que describe el perfil vertical del viento en la
capa superficial, dado que el proceso es interactivo, es mejor aproximarlo a
través de la siguiente metodología (Sozzi, 2001):


u*  u0 1  a ln1  bQ0 / Q* 
[8]
con
u0 
ku
lnz m z 0 
zm  zr  4z0
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
[9]
[10]
5
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Q0  H 0 C p
[11]
Q*  Tu03  kgzm 
[12]
 0128
.
 0.005 ln z 0 z m  si z 0 z m  0.01
a
.
si z 0 z m > 0.01
0107
[13]
b  195
.  32.6 z 0 z m 
0.45
[14]
En estas relaciones, k es la constante de Von Karman (0.41), g es la gravedad, zr
es la altura donde se hace la medición del viento, z0 es la rugosidad superficial, 
es la densidad del aire y Cp es el calor especifico a presión constante. Dado que
frecuentemente no se conoce la relación de z0, se puede utilizar la forma
aproximada que se fundamenta sobre una clasificación del tipo de suelo y un valor
estándar para cada tipo de suelo (Véase la Tabla 1)
Tabla 1. Valores característicos de rugosidad superficial.
Superficie
Hielo
Aeródromo
Mares y Lagos
Pastos (hasta 1 cm de altura)
Pastos (aeropuertos)
Praderas
Pastos (artificial, 7.5 cm de altura)
Pastos (Grueso hasta 10 cm de altura)
Desiertos
Cultivos
Pastos (delgados hasta 50 cm de altura)
Vegetación entre 1 y 2 metros
Pantanos
Sabanas
Zona urbana
Bosque Caduco
Bosque Conífero
z0(m)
0.00001
0.00002
0.0001 - 0.0006
0.0010
0.0045
0.0065
0.010
0.023
0.030
0.030
0.050
0.200
0.200
0.400
1. – 1.7
1.
1.3
Fuente: McRAE, G., et all. Development of a second generation mathematical model for urban air
pollution. Model Formulation, Atmos. Environ., 16, 679-696. 1982.
 Escala de Temperatura:
T*  
H0
C p u*
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
[15]
6
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
 Longitud de Monin-Obukhov (L): 1 L 
kg T*
T u*2
[16]
2.3. ALGORITMO PARA DEDUCIR LOS PARÁMETROS TURBULENTOS EN
HORAS NOCTURNAS
En las horas nocturnas se utiliza un procedimiento desarrollado
(Venkatram,1980), que se resume en las siguientes ecuaciones:
 Velocidad de fricción: u * 
C DN u
1  C 0.5 
2
por
[17]
con
CDN 
k
ln z m z 0 
z
u02  m
A  1100
kA
C  1
4u02
CDN u 2
  4.7
 Longitud de Monin-Obukhov: L  Au*2
 Temperatura de escala: T* 
T
kgA
[18]
[19]
 Flujo de calor sensible: H 0   C p u*T*
[20]
 Flujo de calor en el suelo: G  Rn ( igual a 0.5)
[21]
 El flujo de calor latente: H E   Rn  G  H0
[22]
2.4. ALGORITMO PARA ESTIMAR LA ALTURA DE CAPA DE MEZCLA
La estimación de la altura de mezcla se hace teniendo en cuenta tanto la
contribución de tipo mecánico (siempre presente) representada por la velocidad de
fricción como la contribución de tipo convectivo (presente sólo en las horas con
flujo sensible de calor positivo) representada por H0. Además, si dichos
parámetros y las variables meteorológicas tienen un comportamiento distinto en el
día y la noche y crean situaciones convectivas y estables respectivamente como
se mostró en el algoritmo anterior y dentro del marco teórico de este trabajo;
entonces el resultado estimado de la altura de Capa de Mezcla, será una
consecuencia de dichas variaciones.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
7
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
 Estimación de la capa de mezcla en situaciones convectivas – horas diurnas
P e r fi l v e r ti c a l d e T e m p e r a tu r a
P e r fi l v e r ti a l d e T e m p e r a tu r a
P o te n c i a l 7 -n o v -9 8 6 :3 7 a . m .
P o te n c i a l 1 4 -n o v -9 8 6 :3 0 a . m .
3000
3000
2500
2500
2000
2000
Altur a (m e tr os )
Altur a (m e tr os )
Fundamento físico: Para determinar un modelo sencillo de capa de mezcla, se
hace la hipótesis que para todas las columnas de aire, en la noche el perfil vertical
de la temperatura potencial es lineal con la altura, con un gradiente  positivo
(Véase Figura 1).
1500
1000
1500
1000
500
500
0
3 5 .0
0
4 0 .0
4 5 .0
5 0 .0
T e m p e r a t u r a P o t e n c ia l ( °C )
3 5 .0
4 0 .0
4 5 .0
5 0 .0
T e m p e r a t u r a P o t e n c ia l ( °C )
Figura 1. Ejemplo de perfil vertical de temperatura potencial para Bogotá
Fuente: IDEAM 2002.
Cuando el Sol produce Flujo Turbulento de Calor Sensible H0, éste calor
"erosiona" la estabilidad, Esta erosión se expresa como un aumento de la
temperatura potencial promedia de toda la CLP.
dzi 
1

d
[23]
En un intervalo de tiempo dt, el aumento de la temperatura media de la CLP es
d  , luego, se presenta una erosión en la parte baja de CLP, aumentando su altura
en dzi. Para la definición de  se tiene que:
dzi 1 d

dt  dt
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
[24]
8
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
que es la ecuación de evolución de la altura de mezcla convectiva. Esta variación
de temperatura media de la CLP, y por consiguiente de la altura de mezcla, se
determina por la introducción de calor en la CLP. Si se considera que:
Para aumentar d la temperatura media de la columna de aire (de superficie
unitaria) se necesita un calor igual a:
Q1  Cp.d .zi
[25]
Además la Capa Límite Planetaria cumple la siguiente condición de frontera: a
nivel del suelo hay un flujo vertical positivo de calor que, en el intervalo temporal
dt, es igual a:
Qs  H 0.dt  Cp w' ' s.dt
[26]
Al límite superior de la CLP la condición de frontera cumple que se establece el
siguiente flujo de calor:
Qz   Cp.w' ' zi.dt
[27]
Significa que al interior de la Capa Límite Planetaria el flujo total es la suma de los
flujos que se presentan tanto en el tope como en la base de este estrato de la
atmósfera y teniendo en cuenta que, La razón entre los dos flujos es (Sozzi, 1998):
 w' ' zi
 0.2
w' ' s
[28]
el flujo dentro de la Capa Límite planetaria es la suma de las ecuaciones (26) y
(27):
Q  Qs  Qz  Cp w' ' s.dt  ( Cp.(0.2.w' ' s.)dt)
Q  Qs  Qz  Cp w' ' s.dt  0.2 Cp.w' ' s.dt
Q  Qs  Qz  1.2 Cp.w' ' s.dt
Este calor debe ser igual al que necesita la CLP en su interior presentada en la
ecuación (25). Por lo tanto:
Q1  Cp.d .zi  1.2 Cp.w' ' s.dt  Q
Que es lo mismo que:
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
9
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
d  1. 2

w' '
dt
zi
[29]
y por lo tanto la ecuación 52 de evolución de la CLP queda así:
dzi 1.2

w' '
dt zi
[30]
Si se hace la hipótesis que en un intervalo temporal no demasiado largo el flujo
turbulento de calor sensible a nivel del suelo es constante e igual a su valor medio
en el intervalo de tiempo mismo, la integración de la ecuación tiene como
resultado lo siguiente:
zi.dzi 
1.2

w' '.dt
[31]
Teniendo en cuenta que:
H 0  Cp w' '
[32]
Se tiene que:
zt 2
t2
1.2 H 0
.dt


Cp
t1
 zi.dzi  
zt 1
zi 2
2
zt 2
zt 1
t2
1.2 H 0

t
 Cp t1
zi t22  zi t21 
[33]
2.4 H 0
(t 2  t1)
 Cp
[34]
[35]
Luego:


2.4 H 0
( zi )t 2  hconv  ( zi ) t21 
(t 2  t1)
 .( zi )t 1 Cp


[36]
Con esta relación se calcula inmediatamente ("en tiempo real") el valor de la altura
de la capa de mezcla en un tiempo dado, si se conoce el flujo turbulento de calor
sensible del tiempo actual y, la altura de mezcla del tiempo anterior.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
10
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
 Estimación de la capa de mezcla en situaciones estables – horas nocturnas
Para cada hora (del día o de la noche) se puede definir una altura de mezcla de
tipo mecánico (Sozzi, 1998), deducida de laboratorio por métodos físicos, la cual
tiene alto grado de verificación experimental:
hmec  1330u*
[37]
 Definición de altura de capa de mezcla y escala de velocidad vertical
La mayoría de los modelos de micrometeorología define la Altura de Capa de
Mezcla o máxima extensión de la Capa Límite Planetaria así:
 en las horas estables (noche)
 en las horas convectivas (día)
hmix =hmec
hmix = MAX (hconv,hmec)
Conociendo la altura de mezcla sólo para condiciones convectivas, se puede
definir una velocidad característica para la Capa Límite Planetaria, denominada
Escala de Velocidad Convectiva w*. Este valor identifica la velocidad de ascensión
típica de los vórtices turbulentos.

g
  g H0
w*   w' '.hmix   
.hmix 
T
  T Cp

[38]
Así se puede estimar la velocidad y el tiempo que requiere un vórtice turbulento
para desplazarse desde el suelo hasta la parte superior de la Capa Límite
Planetaria.
2.5. ALGORITMO PARA DETERMINAR LA CATEGORÍA DE ESTABILIDAD DE
PASQUILL – GIFFORD
La Categoría de Estabilidad Atmosférica (Categoría de Pasquill – Gifford) está
fundamentada sobre el conocimiento de: la velocidad del viento, la radiación global
y la radiación neta.
En las horas diurnas la metodología usada para reconstruir la estabilidad necesita
de la velocidad del viento y de la radiación global y se resume en la Tabla 2.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
11
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Tabla 2. Categoría de Estabilidad Pasquill-Gifford para horas diurnas
Velocidad Radiación Solar Global
viento
(W/m2)
(m/s)
700 – 540
 700
540
400
<2
1
1
2
2 –3
1
2
2
3–4
2
2
2
4–5
2
2
3
5–6
3
3
3
>6
3
3
4
– 400
270
2
2
3
3
3
4
– 270
140
3
3
3
4
4
4
– < 140
4
4
4
4
4
4
Fuente: TURNER, D. Workbook of Atmospheric Diffusion Estimates. U.S. Environmental Protection
Agency Report, 999-AP-26, Whasington D.C. 1969.
En las horas nocturnas las variables que necesitan son la velocidad del viento y la
radiación neta, como se puede observar en la Tabla 3.
Tabla 3. Categoría de Estabilidad Pasquill-Gifford para horas nocturnas
Velocidad
Viento
(m/s)
<2
2–3
3 –5
5–6
>6
Radiación Neta (W/m2)
 -20
4
4
4
4
4
(-20) – (-40)
6
5
4
4
4
< -40
6
6
5
4
4
Fuente: TURNER, D. Workbook of Atmospheric Diffusion Estimates. U.S. Environmental Protection
Agency Report, 999-AP-26, Whasington D.C. 1969.
Esta se procesa a partir del software CAPLIM del IDEAM, como se describe a
continuación:
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
12
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
3. PRODUCTOS DEL PROGRAMA CAPLIM – IDEAM, MODELO MICRO
METEOROLÓGICO EN BOGOTÁ
Figura 2. Ventana de ingreso de datos y resultados
Figura 3. Datos de entrada y cálculos de variables
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
13
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Figura 4. Balance energético superficial
Figura 5. Parámetros turbulentos
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
14
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Figura 6. Altura de la capa de mezcla
Figura 7. Categorías de estabilidad Pasquill- Gifford
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
15
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Figura 8. Velocidad de fricción y escala de la velocidad vertical
Una vez realizados estos cálculos el IDEAM le envía un informe al DAMA de
acuerdo al siguiente formato: Boletín diario, Estado Actual - Pronósticos y Alertas.
4. INFORME SUMINISTRADO DIARIAMENTE POR EL IDEAM AL DAMA
Fecha de preparación: martes 28 de mayo de 2002
SINOPSIS METEOROLOGICA
Dos ondas del este transitan sobre el Atlántico tropical y el Mar Caribe, La primera
avanza en 53°W, al sur de 10ºN y la otra en 38°W al sur de 10°N, ambas ondas se
desplazan hacia el oeste a velocidades entre 10 y 15 nudos. Un sistema de baja
presión en superficie de 1011 hPa se presenta en 29°N75°W, lluvias y tormentas
eléctricas se presentan alrededor de este sistema con área de influencia sobre el
Archipiélago de San Andrés y providencia. En el Atlántico occidental en niveles
medios se presenta una vaguada de onda corta desde 33°N74°W a 25°N73°W.
La Zona de Confluencia Intertropical se ubica, sobre el Pacífico oriental, a lo largo
de 12°N87°W-9°N95°W, con actividad convectiva poco significativa en el área
colombiana.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
16
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
RESULTADOS DEL SONDEO DE BOGOTA A LAS 7:00 A.M.
INVERSIONES
Entre 606 (9.0°C) y 1923 metros (10.0°C)
TERMICAS
ISOTERMAS
No se presentaron
HUMEDAD RELATIVA PROMEDIO HASTA 500 MB: 84.2 %
ESTABILIDAD DEL PERFIL ATMOSFERICO
De superficie a 1000 metros Estable entre superficie y 316 metros
De 1000 a 2500 metros
Estable a 1923 metros
Inestable a 2200 metros
De 2500 a 3000 metros
Condicionalmente estable
PRONOSTICO DE PARAMETROS METEOROLÓGICOS
HORAS
DIR. VIENTO
VEL. VIENTO
NUBOSIDAD
07-12
Variable
6 KPH
Par. Nublado
13-16
SW
22 KPH
Par. Nublado
17-20
SW
22 KPH
Par. Nublado
CATEGO RIA DE ES TABILIDAD DE P AS Q UILL
ALTURA DE CAP A DE M EZCLA ES TIM ADA P ARA
GUIFFO RD ES TIM ADA P ARA EL DIA 2 8 DE M AYO
EL DIA 2 8 DE M AYO DE 2 0 0 2
DE 2 0 0 2
1600
6
metros
1200
5
4
800
3
2
400
1
0
0
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
5
7
horas
9
11
13
15
17
19
21
23
horas
Pronóstico del tiempo: En la mañana se espera cielo entre parcial y nublado con
lloviznas intermitentes. En la tarde y noche cielo parcialmente cubierto con lluvias
dispersas.
NOTA: Las categorías de estabilidad 1,2,3 corresponden a situaciones
convectivas; 4 corresponde a situaciones adiabáticas; 5 y 6 a situaciones estables.
5. INFORMACIÓN UTILIZADA
La tablas y figuras que se muestran seguidamente son las utilizadas en el análisis
de los datos provenientes del radiosondeo del aeropuerto El Dorado. Este tipo de
análisis y las herramientas utilizadas, han sido desarrolladas por profesionales del
IDEAM que diariamente suministran en forma sintética los resultados que a
manera de diagnóstico sirven para ilustrar el estado de la atmósfera de sector de
influencia de la estación de monitoreo.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
17
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
28/05/2002
NIVEL
[hPa]
TEMPERATU DEPRE
RA [oC]
SION [oC]
753
725
700
597
577
500
488
454
400
11.6
11.2
9.0
10.0
0.0
-5.9
-7.1
-9.3
-15.7
0.3
4.5
3.3
1.6
2.1
3.1
2.7
7.0
6.0
Temp.
Media
Baromé
trica [K]
Altura
entre
Estratos
[m]
284.5
283.2
282.6
278.1
270.2
266.6
264.9
260.6
315.6
290.9
1316.6
277.3
1132.6
189.6
560.0
965.9
Altura
Altura desde
Geopotencial Superficie
Estimada [m] [m]
2541
2856.6
3147.4
4464.0
4741.4
5873.9
6063.5
6623.5
7589.4
0
315.6
606.4
1923.0
2200.4
3332.9
3522.5
4082.5
5048.4
28/05/2002
NIVEL
[hPa]
Gradiente Diferencia Inversione Estabilidad Ind.
de
de
s
Temperatur Temperatur
a [oC/m]
a [oC]
753
725
700
0.0013
0.0076
-
597
577
500
-0.0008
0.0361
0.0052
1
-
488
0.0063
-
454
400
0.0039
0.0066
-
-
Estable
Cond.
estable
Inversión Estable
Inestable
Cond.
estable
Cond.
estable
Estable
Cond.
estable
5
9
1
9
9
9
5
9
28/05/2002
NIVEL
[hPa]
Temp Theta
. [oC] [K]
NIVE Temp
T[k]
L [m] Rocío [oC]
Td [K] H
Promedio
[%] HR%
SFC-500
753
725
700
597
577
500
488
454
400
11.6
11.2
9.0
10.0
0.0
-5.9
-7.1
-9.3
-15.7
0
316
606
1923
2200
3333
3523
4082
5048
284.3
279.7
278.7
281.4
270.9
264.0
263.2
256.7
251.3
309.0
311.9
312.7
328.5
320.0
326.3
327.1
331.2
335.2
11.3
6.7
5.7
8.4
-2.1
-9.0
-9.8
-16.3
-21.7
284.6
284.2
282.0
283.0
273.0
267.1
265.9
263.7
257.3
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
98
73
80
90
86
79
81
57
60
84
-
Prom.
Desd
e
sfc
98
86
84
85
85
84
84
80
78
18
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
Perfil vertical de humedad relativa en Bogotá para
el día 28 de mayo de 2002 a las 7:00 a.m.
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-5.0
metros
metros
P e rf il v e rt ic a l de T e m pe ra t ura e n B o go t á pa ra
e l dí a 2 8 de m a yo 2 0 0 2 a la s 7 :0 0 a .m .
-2.5
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
12.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
%
°C
metros
P e rf il v e rt ic a l de T e m pe ra t ura P o t e nc ia l pa ra e l
dí a 2 8 de m a yo de 2 0 0 2 e n B o go t á a la s 7 :0 0
a .m .
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
300
305
310
315
320
325
330
°K
Altura de la capa de mezcla estimada
Día juliano
148
Temperatura mínima
10.7
(°C)
Temperatura máxima estimada 18
(°C)
Velocidad del viento a las 5:00 1
a.m.(m/s)
Nubosidad a las 5:00 a.m. (octas) 5
Nubosidad estimada a la 1:00 5
p.m.
Viento promedio en nubosidad
kph
7-12
13
4
13-16
13
4
17-20
11
4
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
19
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
CATEGORIA DE ESTABILIDAD DE PASQUILL
GUIFFORD ESTIMADA PARA EL DIA 28 DE MAYO
DE 2002
ALTURA DE CAPA DE MEZCLA ESTIMADA PARA
EL DIA 28 DE MAYO DE 2002
1600
6
5
4
3
2
1
0
metros
1200
800
400
0
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
horas
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
horas
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES2
La metodología empleada para estimar la evolución de la capa de mezcla y las
categorías de estabilidad atmosférica de Pasquill está basada en resultados de
diversos autores, publicados en revistas científicas. Tiene un buen sustento
técnico y una adecuada metodología. El paquete informático desarrollado para
esto reúne condiciones optimas tanto de manejo como de análisis.
El informe se prepara con las observaciones meteorológicas y pronósticos
disponibles en las primeras horas de la mañana. Utiliza el radiosondeo de Bogotá
para caracterizar los perfiles verticales de viento y temperatura, y las condiciones
de nubosidad, viento, temperatura pronosticadas para el área, para las próximas
24 horas.
Se entrega la evolución diaria de la altura de capa de mezcla, estimada para las
próximas 24 h, y las categorías de estabilidad de Pasquill, también estimadas para
el mismo período.
Esa información podría usarse para apoyar la estimación de niveles de calidad de
aire esperados para el área de Bogotá, usando una metodología que relacione
condiciones meteorológicas esperadas, con calidad de aire esperada para ese
período. Esa metodología no ha sido desarrollada y seria clave trabajar en ello.
El pronóstico meteorológico especializado, preparado diariamente, no está siendo
utilizado para estos fines. Se recomienda evaluar la necesidad y utilidad de
preparar el pronostico diario de condiciones meteorológicas especiales, aplicadas
a calidad de aire.
CENTRO NACIONAL DEL MEDIO AMBIENTE – CENMA. Asesoría al Proceso de Auditoría al
Diseño y Operación de la Red de Monitoreo de Calidad de Aire de Bogotá. Informe Final. Chile,
Junio 7, 2002. Pág. 22.
2
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
20
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
En caso que no se estime relevante continuar con ese pronóstico, se recomienda
reemplazar por un diagnóstico, donde se estime la evolución de la capa de mezcla
y las estabilidades de Pasquill, para las 24 últimas horas. La metodología deberá
ser adaptada para usar datos observados, en vez de valores pronosticados.
Se recomienda analizar la incorporación de la siguiente información a mediano
plazo:
 Interpolación para horas intermedias de las condiciones en altura, a partir de
los radiosondeos del día anterior y el día actual. Apoyo con valores generados
por modelos numéricos.
 Incorporación de mediciones de radiación solar global, en reemplazo de
estimaciones basadas en la nubosidad.
 Análisis de información meteorológica adicional disponible para el área de
Bogotá, que podría incorporarse a la metodología de cálculo.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
21
Anexo 10. Metodología para la evaluación de la capa límite planetaria y
la elaboración del diagnóstico y pronóstico de la estabilidad
atmosférica.
REFERENCIAS
1 HOSTLAG, A.M. and Van Ulden, A.P. A Simple Scheme for Daytime Estimates
of the Surfaces Fluxes from Routine Weather Data. Journal of Climate and
applied Meteorology Vol. 22 No. 4.1983.
2 KASTEN, F. and Czeplak, G. Solar and terrestrial radiation dependent on the
amount and type of cloud; Solar Energy 24.1980
3 McRAE, G., et all. Development of a second generation mathematical model
for urban air pollution. Model Formulation, Atmos. Environ., 16, 679-696. 1982.
4 SOZZI, Roberto (2001): Fondamenti Fisici Del Programma Calim (Preprint).
5 SOZZI, R., SALCIDO, A., SALDAÑA, R. and GEORGIADIS, T. Daytime net
radiation parameterization for Mexico City suburban areas; Atmos. Research,
50, 53-68. 1999.
6 SOZZI, Roberto y RUIZ, Franklyn. Implementación de metodologias para la
meteorología y micrometeorología de dispersión de contaminantes del aire.
IDEAM/METEO/012-98. Bogotá 1998.
7 SOZZI, Roberto. La turbulencia de la atmósfera y la dispersión de los
contaminantes en el aire - Vol. 1 Micrometeorología y turbulencia del aire.
1998.
8 SOZZI, R., M., FAVARON, T. and GEORGIADIS. Method for estimation of
surface roughness and similarity functions of wind speed vertical profile; J. of
Appl. Meteor. 37, 461-469. 1998.
9 SOZZI, R. and M. FAVARON. Sonic anemometry and thermometry: theoretical
basis and fecha-processing software; Environ. Software, Vol. 11, N° 4, 259270.1996.
10 TURNER, D. Workbook of Atmospheric Diffusion Estimates. U.S.
Environmental Protection Agency Report, 999-AP-26, Whasington D.C. 1969.
11 VAN ULDEN, A.P. and HoltCapa Superficialag, A.A. Estimation of atmospheric
boundary layer parameters for diffusion applications; J. of Climate and Appl.
Meteor. Vol.24, 1196-1207.1985.
12 VENKATRAM, A. Estimating the Monin-Obuhkov Length in the Stable
Boundary Layer for Dispersion Calculations. Boundary Layer Meteorology. Vol
19. 1988.
Auditoría a la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá
22