PLUVIOMETRIA - Unidad de Ciencias de la Atmósfera

Principios básicos de las mediciones atmosféricas
2011
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 1974. 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 cm2 (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
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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 : http://www.belfortinstrument.com/content/precipitation_m5400.cfm ).
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
0
donde R es la precipitación y h la altura de agua dentro de la cubeta.
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.
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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:
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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 TB para llenar un cubo viene dado por:
TB
A ∫ R (t )dt = V
0
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
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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 700-800 K,2, la fracción de
área cubierta por el pluviómetro es del orden de 10-6. 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.
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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.
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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.
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Algunos radares y su bandas de frecuencias
Definiciones
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)
Rmin =
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(τ + t rec )c
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Rmin 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.
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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)
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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 0.197 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 ProberJones:
(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)
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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 = 3.108 m/s
Para el caso del radar M33 cuyas características son:
G = 40.78 dB = 11967.4
q = 0.015 rad
f = 0.019 rad
ft = 3200 MHz
fr = 375 Hz
[K]2 = 0.93
Si llamamos:
(9)
C = 1.52 10-13 = -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:
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
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Fuente: http://www-atmo.at.fcen.uba.ar/satelite/curso/radar/indicesp.htm
Información mas detallada sobre funcionamiento del radar se colgara en la pagina.
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