Karina Hernández-2013-Estudio de la evaporación en Costa Rica y

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE FÍSICA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA ATMOSFÉRICA,
OCEÁNICA Y PLANETARIA
Estudio de la evaporación en Costa Rica y su aplicación para determinar el
inicio y conclusión de la época seca y lluviosa.
Tesis de grado para optar al Título de Licenciado en Meteorología
KARINA HERNÁNDEZ ESPINOZA
San José de Costa Rica, 18 de diciembre del 2013.
i
ESTUDIO
DE
LA
EVAPORACIÓN
EN
COSTA
RICA
Y
SU
APLICACIÓN PARA DETERMINAR DEL INICIO Y CONCLUSION DE
LA ÉPOCA SECA Y LLUVIOSA
Tesis de grado que se presenta en noviembre del año 2013 a la Facultad de
Ciencias, Escuela de Física de la Universidad de Costa Rica, como requisito para
optar al grado de Licenciada en Meteorología.
Director de Tesis: Dr. Walter Fernández Rojas
Tribunal Examinador
___________________________
________________________
Dr. Rodrigo Carboni Méndez
Dr. Walter Fernández Rojas
Presidente del tribunal
Director de Tesis
_________________________
__________________________
Dr. Hugo Hidalgo León
Dr. Eric Alfaro Martínez
Miembro del Tribunal
Miembro del Tribunal
________________________________
Dr. Jorge Gutiérrez Camacho
Miembro del Tribunal
ii
RESUMEN
La idea de mejorar la aproximación regional del inicio y conclusión de la época
seca y lluviosa, así como el veranillo o canícula por medio de la determinación de
umbrales pentadales de la evaporación específicos para cada Región Climática
del país, surge con el objeto de analizar el ciclo anual de la precipitación
utilizando una variable diferente a la normalmente utilizada (lluvia), debido a
que esta (evaporación) es una variable más estable debido a su ciclo diario y a su
vez existen varias técnicas de relleno, mientras que la lluvia tiene patrones muy
irregulares y es difícil de rellenar.
Costa Rica tiene carencia de registros de evaporación bien distribuidos que
además sean extensos y continuos, por esto se utiliza el método FAO PenmanMonteith descrito por Allen et al. (1998) para generar un cálculo estándar de la
evapotranspiración de referencia, dicho método define un cultivo de referencia
hipotético que asume una altura de 0.12m con una resistencia superficial de 70
s/m y un albedo de 0.23. Partiendo de este valor especifico generado de
evapotranspiración calculando el coeficiente del Tanque evaporímetro tipo A se
obtiene el valor de la evaporación diaria para una estación meteorológica
representativa de cada región climática del país, donde dichos resultados fueron
validados calculando la evaporación diaria generada con el Tanque de
evaporación tipo A. Posteriormente se calculan las 73 pentadas anuales de
evaporación para comparar el comportamiento de esta variable en diferentes
períodos del año para cada región climática del país.
Se generan los siguientes promedios para cada Región Climática del territorio
nacional: 6 mm para la Zona Caribe, 5.8 mm en la Zona Norte, 7.6 mm para el
iii
Pacífico Norte, 4.8 mm en Pacífico Central, 8.2 mm para el Pacífico Sur y 8 mm
para el Valle Central. Donde al observar las gráficas pentadales de evaporación se
evidencia en las estaciones analizadas, excepto La Mola, un aumento de la
evaporación para los meses en que comúnmente se presenta el Veranillo.
Analizando el umbral respectivo para cada región en las gráficas pentadales se
obtienen las siguientes fechas para el inicio y conclusión de la época seca y
lluviosa en Costa Rica así como para la ocurrencia del veranillo. La Zona Caribe
es la región más impactada por los fuertes vientos producto de los frentes fríos y
otros
fenómenos
meteorológicos
generadores
de
lluvia
que
impactan
principalmente la Costa Caribe que influyen en el decremento de la evaporación
y aumento de la precipitación, por esto al observar las gráficas pentadales de
evaporación y precipitación se aprecia un periodo lluvioso con un valor umbral
de 25 mm del 12-16/04 o pentada 21 hasta 17-21/03 o pentada 16, mientras que
el pequeño periodo seco con el mismo umbral se aprecian de 22-26/03 o pentada
6 hasta 2-6/5 o pentada 25, en esta región no se observa un Veranillo pero si se da
una disminución de la evaporación entre el 1-5/07 o pentada 37. La Zona Norte
inicia su época seca del 26-30/01 o pentada 6 hasta 2-6/05 o pentada 25 con un
umbral de 28-34 mm, su época lluviosa comienza del 7-11/05 o pentada 26 hasta
21-25/01 o pentada 5, sin ocurrencia del Veranillo. El Pacífico Norte tiene dos
épocas secas una con umbrales de 31-42 que va del 28/10-1/11 o pentada 61
hasta 12-16/05 o pentada 27, la otra época seca concuerda con el Veranillo y va
del 26-30/06 o pentada 36 hasta 15-19/08 o pentada 46 con umbral de 33-35,
además tiene dos épocas lluviosas una del 17-21/05 o pentada 28 hasta 20-25/08
o pentada 35, la segunda época lluviosa va del 20-24/08 o pentada 47 hasta 2428/11 o pentada 60. Mientras el Pacífico Central muestra época seca del 1-5/01 o
pentada 1 hasta 12-16/04 o pentada 21 con valores umbrales de 20-24 mm, su
época lluviosa del 17-21/04 o pentada 22 hasta 27-31/12 o pentada 73, sin
presencia de Veranillo. Para el Pacífico Sur la época seca va del 2-6/12 o pentada
68 hasta 17-21/04 o pentada 22 con umbrales de 37-43 mm, con época lluviosa
del 22-26/04 o pentada 23 hasta 27/11-1/12 o pentada 67, sin evidencia de
Veranillo. En cambio el Valle Central tiene dos épocas secas una inicia el 13-
iv
17/11 o pentada 64 hasta 12-16/05 o pentada 27 con umbrales de 33-38 mm, y un
segundo periodo seco que coincide con el veranillo del 11-15/07 o pentada 39
hasta 30/7-3/08 o pentada 43 con umbrales de 34-35 mm, mientras que las épocas
lluviosa van del 4-8/08 o pentada 44 hasta 8-12/11 o pentada 63, donde el
segundo periodo seco se da del 17-21/05 o pentada 28 hasta 6-10/07 o pentada
38.
Un veranillo estrictamente definido como época seca, con ayuda del método
propuesto, se encuentra únicamente en el Valle Central y Pacifico Norte. Pero
claramente se aprecia un aumento de la evaporación durante los meses en que
comúnmente ocurre el veranillo, excepto en el Caribe, y dicho incremento se
encuentra acompañado de una disminución de las precipitaciones en todas las
estaciones a excepción de la Zona Norte.
En el análisis de las grafica de acumulados mensuales, pentadales, así como las
resultantes de la validación de series de tiempo generadas con el método y las
obtenidas con el Tanque evaporímetro tipo A muestran un patrón similar en
cuanto a la distribución mientras que presentan una diferencia en el rango donde
los acumulados de la serie reconstruida siempre se encuentra por encima de la
serie real. Los porcentajes de error para las localidades estudiadas muestran los
siguientes valores: Zona Caribe presenta un máximo de 150% y un mínimo de
80%, en la Zona Norte un máximo de 83% y un mínimo de 59%, para el Pacífico
Norte se obtiene un máximo de 33% y un mínimo de 1%, en el Pacífico Central
un máximo de 15% y un mínimo de 2%, mientras el Pacífico Sur un máximo de
85% y un mínimo de 53% y en el Valle Central un máximo de 90% y un mínimo
de 32%.
v
DEDICATORIA
vi
AGRADECIMIENTOS
A mis compañeros del Instituto Meteorológico Nacional, por las colaboraciones y
recomendaciones producto de su valiosa experticia, en especial al Lic. Luis
Fernando Alvarado Gamboa por su valiosa guía y al MSc. Roberto Villalobos
Flores por todo su apoyo.
Al Dr. Walter Fernández Rojas por ser mi fiel
consejero durante la elaboración de esta investigación. A mis profesores Dr. Eric
Alfaro Martínez y Dr. Hugo Hidalgo León que muy amablemente aportaron
valiosas y oportunas correcciones. Al Dr. Jorge Gutiérrez
indispensable participación.
Camacho por su
vii
INDICE GENERAL
Hoja de aprobación………………………………………………………
i
Resumen…………………………………………………………………
ii
Dedicatoria………………………………………………………………
v
Agradecimientos…………………………………………………………
vi
Índice general……………………………………………………………
vii
Índice de cuadros………………………………………………………..
xi
Índice de figuras…………………………………………………………
xix
Lista de símbolos………………………………………………………..
xix
Introducción……………………………………………………………..
1
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES…………………………………….
4
CAPÍTULO 2: METODOLOGÍA…………………………………………….
10
2.1
Método FAO Penman-Monteith………………………………….
10
2.1.1 Resistencia aerodinámica…………………………………
11
2.1.2 Resistencia superficial…………………………………….
12
2.1.3 Superficie de referencia…………………………………..
14
2.1.4 Ecuación FAO Penman-Monteith…………………………
15
2.1.5 Evaporación a partir de FAO Penman-Monteith………….
16
2.1.6 Debilidades y virtudes del método……………………….
17
2.1.7 Justificación del uso del método………………………….
18
Validación del método……………………………………………
18
2.2
viii
2.3
Metodología pentadal…………………………………………….
21
2.3.1 Umbral pentadal………………………………………….
22
CAPÍTULO 3: DATOS METEOROLÓGICOS……………………….
23
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Limitaciones del dato…………………………………………….
23
3.1.1 Instrumental meteorológico……………………………….
23
3.1.2 Observadores meteorológicos…………………………….
23
3.1.3 Ubicación geográfica……………………………………..
24
Calculo de parámetros requeridos………………………………..
24
3.2.1 Presión atmosférica……………………………………….
24
3.2.2 Calor latente de vaporización……………………………..
24
3.2.3 Constante psicométrica……………………………………
25
3.2.4 Temperatura del aire……………………………………….
25
3.2.5 Presión media de vapor de saturación……………………..
25
3.2.6 Pendiente de la curva de presión de saturación……………
26
3.2.7 Presión real de vapor derivada de humedad relativa……………
26
3.2.8 Radiación…………………………………………………..
26
3.2.9 Velocidad del viento………………………………………
28
Selección de Estaciones Meteorológicas…………………………
28
3.3.1 Criterio de selección………………………………………
28
3.3.2 Estaciones meteorológicas seleccionadas…………………
29
Control de calidad del dato……………………………………….
32
3.4.1 Caso de la humedad relativa y temperatura………………
32
3.4.2 Caso del viento……………………………………………
33
3.4.3 Caso de la radiación, insolación y evaporación………….
33
Estimación de los datos faltantes………………………………..
33
ix
CAPÍTULO 4: RESULTADOS…………………………………………
37
4.1
Evaluación del modelo a nivel diario……………………………
37
4.2
Evaluación del modelo a nivel mensual…………………………
41
4.3
Identificar el cambio de época seca a lluviosa y viceversa……
44
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………..
60
TABLAS…………………………………………………
63
ANEXO 2: GRAFICOS PARA LAS ESTACIONES SELECCIONADAS
64
ANEXO 3: MEDICIONES E INSTRUMENTAL……………………
81
Instrumental para el cálculo de la evaporación…………………..
81
3.1.1 Heliógrafo…………………………………………………
81
3.1.2 Termómetro de máxima y mínima………………………..
82
3.1.3 Higrógrafo o Higrotermógrafo……………………………
82
3.1.4 Microbarógrafo……………………………………………
84
3.1.5 Actinógrafo……………………………………………….
84
3.1.6 Anemógrafo………………………………………………
85
3.1.7 Tanque evaporímetro tipo A……………………………..
85
Definición de parámetros meteorológicos……………………….
86
3.2.1 Radiación solar……………………………………………
86
3.2.2 Temperatura del aire………………………………………
87
3.2.3 Humedad Relativa del aire………………………………..
87
3.2.4 Velocidad del viento a 2m………………………………..
87
3.2.5 Heliografía………………………………………………..
87
3.2.6 Presión atmosférica……………………………………….
87
3.2.7 Definición de evaporación………………………………..
88
ANEXO1:
3.1
3.2
x
3.2.8 Definición de evapotranspiración…………………………
88
3.2.9 Definición de Veranillo o Canícula………………………
88
REFERENCIAS…………………………………………………………
89
xi
INDICE DE CUADROS
Cuadro
3.1
Nómina de estaciones seleccionadas……………………….. 30
Cuadro
3.2
Porcentaje de datos faltantes……………………………….
34
Cuadro
4.1
Evaluación del modelo a nivel diario………………………
39
Cuadro
4.2
Valores extremos mensuales de las diferencias de
evaporación………………………………………………… 41
Cuadro
4.3
Evaluación del modelo a nivel mensual……......................
43
Cuadro
4.4
Valores promedio de la evaporación diaria….......................
45
Cuadro
4.5
Inicio y conclusión la época seca y lluviosa, según método
FAO Penman-Monteith……………………………….......... 48
Cuadro
4.6
Inicio y conclusión la época seca y lluviosa, según Tanque
evaporímetro tipo A…………..………................................ 51
Cuadro
4.7
Comparación de inicio y conclusión la época seca…...........
52
Cuadro
4.8
Comparación de inicio y conclusión la época lluviosa..........
51
Cuadro
4.9
Inicio y conclusión del veranillo, según método FAO
Penman-Monteith ……………………………….................. 54
Cuadro
4.10 Inicio y conclusión del veranillo, según Tanque
evaporímetro tipo A…………..……………………………. 54
Cuadro
4.11 Comparación de inicio y conclusión del veranillo…………
Cuadro
4.12 Período de incremento de la evaporación durante la época
lluviosa………………………………………….………….. 56
Cuadro
4.13 Valores extremos de los porcentajes de error……………..
55
58
ANEXO 1……………………………………………………………………. 53
Cuadro
A1.1 Valores extremos mensuales de la evaporación acumulada
mensual estimada…………………………………………...
63
xii
INDICE DE FIGURAS
Figura
2.1
Representación
de
la
resistencia
aerodinámica
y
superficial………………………………………………….
10
Figura
2.2
Características del Cultivo de referencia…………………
14
Figura
3.1
Ubicación geográfica de las estaciones seleccionadas…..
31
Figura
4.1
Evaporación diaria (mm/día) registrada por el tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante el método
FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la estación 98027
– Pindeco…………………………………………………..
37
Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la calculada
mediante el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 98027 - Pindeco…………………………………
38
Ajuste de la evaporación diaria (mm/día) registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación 90009
– Damas……………………………………………………
40
Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación 74020
– Llano Grande, Liberia…………………………………..
42
Ajuste de la evaporación mensual registrada por el tanque
evaporímetro tipo A y calculada mediante el método FAOPenman-Monteith, para el caso de la estación 84023 –
Est.Exp.Fabio Baudrit……………………………………..
43
Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
74020– Llano Grande, Liberia.……………………………
46
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
xiii
Figura
Figura
Figura
Figura
4.7
4.8
4.9
Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 74020 – Llano
Grande,
Liberia……………………………………………………..
46
Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 74020 – Llano Grande,
Liberia……………………………………………………..
46
Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(𝑚𝑚 ) para el método FAO Penman-Monteith, caso de la
estación 74020 – Llano Grande, Liberia….......................
47
4.10 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de la estación 74020
– Llano Grande, Liberia…….……………………………..
ANEXO 2………………………………………………………………………..
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
A2.1
A2.2
A2.3
A2.4
A2.5
A2.6
47
64
Evaporación diaria (mm/día) registrada por tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante método
FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la estación
69579 - Santa Clara, ITCR……………………………….
64
Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la
calculada mediante el método FAO-Penman-Monteith,
caso de la estación 69579 – Santa Clara, ITCR…………
64
Evaporación diaria (mm/día) registrada por el tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la
estación 71002 - La Mola……………………………….
65
Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la
calculada mediante el método FAO-Penman-Monteith,
caso de la estación 71002 – La Mola…………………..
65
Evaporación diaria (mm/día) registrada por el tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la
estación 74020 – Llano Grande…………………………
65
Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la
calculada mediante el método FAO-Penman-Monteith,
caso de la estación 74020 – Llano Grande, Liberia……
66
xiv
Figura
Figura
Figura
Figura
A2.7
A2.8
A2.9
Evaporación diaria (mm/día) registrada por el tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la
estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit..
66
Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la
calculada mediante el método FAO-Penman-Monteith,
caso de la estación 84023 – Estación Experimental Fabio
Baudrit……………………………………………………
66
Evaporación diaria (mm/día) registrada por el tanque
evaporímetro tipo A (azul) y calculada mediante el
método
FAO-Penman-Monteith (verde), caso de la
estación 90009 – Damas………………………………
67
A2.10 Diferencias diarias (mm/día) entre la evaporación
registrada en el tanque evaporímetro tipo A y la
calculada mediante el método FAO-Penman-Monteith,
caso de la estación 90009 – Damas…………………….
Figura
A2.11 Ajuste de la Evaporación diaria (mm/día) registrada por
el tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
69579 - Santa Clara, ITCR………………………………
Figura
68
A2.14 Ajuste de la Evaporación diaria (mm/día) registrada por
el tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit…………
Figura
68
A2.13 Ajuste de la Evaporación diaria (mm/día) registrada por
el tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
74020 - Llano Grande…………………………………..
Figura
67
A2.12 Ajuste de la Evaporación diaria (mm/día) registrada por
el tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
71002 - La Mola…………………………………………
Figura
67
68
A2.15 Ajuste de la Evaporación diaria (mm/día) registrada por
el tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
98027 – Pindeco…………………………………………
69
xv
Figura
A2.16 Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
69579 – Santa Clara,ITCR………………………………
Figura
A2.17 Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
71002 – La Mola…………………………………………
Figura
71
A2.24 Ajuste de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, para el caso de la
estación 90009 – Damas. ……………………………….
Figura
71
A2.23 Ajuste de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, para el caso de la
estación 74020 – Llano Grande. ………………………..
Figura
71
A2.22 Ajuste de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, para el caso de la
estación 71002 - La Mola. ………………………………
Figura
70
A2.21 Ajuste de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, para el caso de la
estación 69579 – Santa Clara, ITCR. ……………………
Figura
70
A2.20 Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
98027 – Pindeco…………………………………………
Figura
70
A2.19 Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
90009 – Damas…………………………………………..
Figura
69
A2.18 Promedio de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit………….
Figura
69
72
A2.25 Ajuste de la evaporación mensual registrada por el
tanque evaporímetro tipo A y calculada mediante el
método FAO-Penman-Monteith, para el caso de la
estación 98027 – Pindeco……………………………….
72
xvi
Figura
A2.26 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
69579 – Santa Clara, ITCR……………………………..
Figura
A2.27 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 69579 – Santa Clara,
ITCR……………………………………………………..
Figura
75
A2.36 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit. ………
Figura
75
A2.35 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el tanque tipo A, caso de la estación 71002 –
La Mola ………………………………………………….
Figura
75
A2.34 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 71002 – La Mola…………..……………………
Figura
74
A2.33 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 71002 – La Mola……
Figura
74
A2.32 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 71002 – La Mola…
Figura
74
A2.31 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
71002 – La Mola……………………………………......
Figura
73
A2.30 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el tanque tipo A, caso de la estación 69579 –
Santa Clara, ITCR ……………………………………….
Figura
73
A2.29 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 69579 – Santa Clara, ITCR …………………..
Figura
73
A2.28 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 69579 – Santa Clara,
ITCR……………………………………………………...
Figura
72
76
A2.37 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 84023 – Estación
Experimental Fabio Baudrit. …………………………….
76
xvii
Figura
A2.38 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 84023 – Estación
Experimental Fabio Baudrit……………………………..
Figura
A2.39 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit…
Figura
80
A2.49 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 98027 – Pindeco…………..…………………….
Figura
79
A2.48 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 98027 - Pindeco………
Figura
79
A2.47 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 98027 - Pindeco….
Figura
79
A2.46 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
98027 - Pindeco………………………………………….
Figura
78
A2.45 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el tanque tipo A, caso de la estación 90009 –
Damas.……………………………………………………
Figura
78
A2.44 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el método FAO-Penman-Monteith, caso de la
estación 90009 – Damas…………………………………
Figura
78
A2.43 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación
diaria, para el caso de la estación 90009 - Damas………
Figura
77
A2.42 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
tanque tipo A, caso de la estación 90009 - Damas……
Figura
77
A2.41 Pentadas promedio de evaporación diaria (mm) para el
método FAO-Penman-Monteith, caso de la estación
90009 – Damas…………………………………………..
Figura
77
A2.40 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el tanque tipo A, caso de la estación 84023 –
Estación Experimental Fabio Baudrit …………………...
Figura
76
80
A2.50 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria
(mm) para el tanque tipo A, caso de la estación 98027 Pindeco …………………………………………………..
ANEXO 3………………………………………………………………………..
80
81
xviii
Figura
A3.1
Heliógrafo y heliogramas………………………………..
81
Figura
A3.2
Termómetros de máxima y mínima……………………..
82
Figura
A3.3
Higrógrafo………………………………………………..
83
Figura
A3.4
Higrotermógrafo…………………………………………
83
Figura
A3.5
Microbarógrafo………………………………………….
84
Figura
A3.6
Actinógrafo………………………………………………
84
Figura
A3.7
Anemógrafo de cazoletas……………………………….
85
Figura
A3.8
Tanque evaporímetro tipo A y su tornillo micrométrico.
85
xix
LISTA DE SIMBOLOS
Significado
Símbolo
Unidad
P
Presión atmosférica
Z
Elevación sobre el nivel del mar
𝜆
Calor latente de vaporización
𝛾
Constante psicométrica
𝐶𝑝
Calor especifico
𝑀𝐽 𝑘𝑔−1 °𝐶 −1
Coeficiente del peso molecular
a dimensional
ε
𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎
kPa
m
MJ kg −1
𝑘𝑃𝑎 °𝐶 −1
Temperatura media
°C
𝑇𝑚𝑎𝑥
Temperatura máxima
°C
𝑇𝑚𝑖𝑛
Temperatura mínima
°C
Presión media de vapor de saturación
kPa
Presión de vapor de saturación a temperatura T
kPa
𝑒𝑠
𝑒 𝑜 (𝑇)
∆
Curva de presión de saturación
ea
Presión real de vapor de saturación
𝑘𝑃𝑎 °𝐶 −1
kPa
𝐻𝑅𝑚𝑎𝑥
Humedad relativa máxima
%
𝐻𝑅𝑚𝑖𝑛
Humedad relativa mínima
%
𝑑𝑟
Inversa de la distancia relativa Tierra-Sol
Rad
𝛿
Declinación solar
Rad
𝜔𝑠
Ángulo de la hora del ocaso
Rad
𝜑
Latitud
Rad
N
Duración máxima de insolación
𝑅𝑎
Radiación extraterrestre
𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1
𝐺𝑠𝑐
Constante solar
𝑀𝐽 𝑚−2 𝑚𝑖𝑛−1
𝑅𝑠
Radiación solar o de onda corta
𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1
N
Curación real de la insolación
𝑎𝑠
Constante de regresión
adimensional
Fracción radiación extraterrestre, día despejados
adimensional
(𝑎𝑠 + 𝑏𝑠 )
h
h
𝑢2
Velocidad del viento a dos metros de altura
𝑚 𝑠 −1
𝑢𝑧
Velocidad del viento
𝑚 𝑠 −1
xx
𝑘𝑃𝑎°𝐶 −1
m
Pendiente de la curva de presión de saturación
𝑅𝑛
Irradiación neta
𝑊 𝑚−2
𝜌𝑎
Densidad del aire
𝑘𝑔 𝑚−3
𝛿𝑒
Déficit de presión de vapor
𝜆𝑣
Vaporización de calor latente
𝐸𝑚𝑎𝑠𝑎
G
(𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 )
Evaporación de una superficie abierta de agua
Flujo de calor en el suelo
Déficit de presión de vapor del aire
Pa
𝐽 𝑘𝑔−1
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1
kPa
𝑘𝑔 𝑚−3
𝜌𝑎
Densidad media del aire
𝑟𝑠
Resistencia superficial
𝑠 𝑚−1
𝑟𝑎
Resistencia aerodinámica
𝑠 𝑚−1
𝑧𝑚
Altura a la que se registra el viento
m
𝑧ℎ
Altura a la que se registra la humedad
m
𝑧𝑜𝑚
Longitud de la rugosidad
m
𝑧𝑜ℎ
Longitud de la rugosidad
m
K
Constante de Von Karman
adimensional
H
Altura del cultivo
m
d
Altura de desplazamiento cero
m
𝐼𝐴𝐹𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
Índice activo de foliar
𝐸𝑇0
Evapotranspiración
𝐾𝑝
Coeficiente del tanque evaporímetro
BORDE
𝑀𝐵𝐸
Distancia del tanque al cultivo
adimensional
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
adimensional
m
Error medio estimado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑃𝑖
Valor estimado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑂𝑖
Valor observado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝐷𝑆 2
Varianza de la distribución de las diferencias
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
MSE
Promedio de las diferencias
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑅𝑀𝑆𝐸
Raíz cuadrada de promedio de las diferencias
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
MAE
Error absoluto medio
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝐷𝑆𝐸𝑟
Desviación estándar de la variable observada
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝐷𝑆𝐸𝑐
Desviación estándar de la variable estimada
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
A
Intersección de regresión de mínimos cuadrados
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
B
Pendiente de regresión de mínimos cuadrados
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
D
Índice de concordancia
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
xxi
̃𝑖
𝑃
̃𝑖
𝑂
Diferencia entre valor estimado y promedio del
observado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
Diferencia entre valor observado y promedio del
observado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑀𝑆𝐸𝑠
Error sistemático
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑀𝑆𝐸𝑢
Error no sistemático
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑟2
Coeficiente de determinación
adimensional
2
𝜎𝑥𝑦
Covarianza de (x,y)
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝜎𝑥2
Desviación típica de x
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝜎𝑦2
Desviación típica de y
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟
Porcentaje de error
adimensional
𝑉𝑐𝑎𝑙
Valor calculado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
𝑉𝑜𝑏𝑠
Valor registrado
𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
1
INTRODUCCIÓN
A nivel nacional es comúnmente aplicada la metodología descrita por Gramzow y
Henry (1972) que fue utilizada por Amador (1984) y modificada por Alfaro et al.
(1998) donde se ha analizado la precipitación para identificar el inicio y
conclusión de la época seca y lluviosa en el territorio nacional, mediante el
cálculo de pentadas diarias de precipitación, definiendo un umbral único para
todo el país.
Gramzow y Henry (1972) muestran un análisis de precipitación trabajando los
datos diarios en forma pentadal y generando los promedios respectivos. También
define dos criterios: precipitación ≥ 25mm y frecuencia de precipitación de al
menos 50%, donde al cumplirse ambos criterios inicia la época lluviosa y
finaliza al dejar de cumplirse. Este criterio, precipitación ≥ 25 mm, se basa en la
precipitación de una tormenta de meso-escala; este ha sido muy utilizado en
Costa Rica y se considera válido. La idea de utilizar pentadas tiene la finalidad de
depurar los datos, ya que de esta manera se eliminan las frecuencias pequeñas
que solo agregan ruido a la serie de datos.
Alfaro et al. (1998) aplicó el siguiente criterio para el inicio de la estación
lluviosa. Si al ordenar las pentadas en orden creciente una de ellas presenta un
valor de precipitación ≥ 25mm, donde al menos una de las dos siguientes
pentadas es ≥ 25mm y que las pentadas anteriores y posteriores tengan al menos
valores de precipitación ≥ 0.5mm. Se obtiene el término de la estación lluviosa
con el mismo análisis, pero esta vez ordenando las pentadas de forma
decreciente. El umbral de 25mm surge debido a la estimación de Gray (1993)
respecto a la evaporación diaria para Centroamérica que fluctúa entre 5-8mm/día,
donde al multiplicar el valor mínimo por cinco (cantidad de días que conforman
2
una pentada) se obtiene el valor umbral pentadal de 25mm de precipitación.
Mientras que el umbral de 0.5mm se debe a que el valor mínimo registrado por el
instrumental es de 0.1mm, de la misma forma, al multiplicar este valor por cinco
se obtiene el valor pentadal.
Ramírez (1976) mediante el manejo de datos mensuales de evaporación encontró
algunas relaciones entre la evaporación y otras variables meteorológicas y
observó que durante la estación lluviosa se distingue el fenómeno meteorológico
denominado 'Veranillo'. Además reconoce las limitaciones al trabajar con
evaporación siendo el Tanque evaporímetro tipo A la única medida de
evaporación en Costa Rica, además de todos los factores externos que afectan
esta medición en caso de querer usarla como medida patrón para la evaluación de
las fórmulas de cálculo para construir series de evaporación.
Costa Rica carece de un estudio de evaporación que calcule umbrales pentadas
específicos para cada Región Climática, ya que hasta ahora se ha utilizado un
único umbral para todo el territorio nacional en la estimación de inicio y
conclusión de la época seca y lluviosa. Anteriormente se ha estudiado el
comportamiento de la evaporación pero no se ha analizado de forma pentadal que
permita definir los intervalos secos y lluviosos a lo largo del año.
La evaporación es uno de los componentes principales del balance hídrico del
planeta Tierra y a su vez primordial en la interacción atmósfera y superficie
terrestre, mientras que la evapotranspiración es el conjunto de la pérdida de
humedad por evaporación directa y la pérdida de agua por transpiración.
El principal uso de la evapotranspiración se da en las ciencias agronómicas,
donde la finalidad se basa en conocer las necesidades hídricas del cultivo para un
buen desarrollo del mismo. Esto se obtiene restando el acumulado total de lluvia
y la cantidad de agua que se evapora, lo cual representa el volumen de agua
disponible.
3
Nuestro país como gran productor agrícola tiene la necesidad de conocer de una
forma certera las fechas del inicio y conclusión de las épocas seca y lluviosa para
cada subregión de la nación, así como las fechas y lugares afectados por el
Veranillo, además de los valores climatológicos de la evaporación a los largo del
año. Con el único fin de evitar pérdidas millonarias y desempleo que generan los
daños en las siembras, lo cual es producto de la alteración de las necesidades
hídricas de los diversos cultivos que se producen.
El análisis de estas variables es indispensable en diversos aspectos, tales como
gestión de recurso hídrico, planificación, producción vegetal, estudios
ambientales y ecológicos. Las estadísticas de evaporación y evapotranspiración
son imprescindibles para la planificación y operación de empresas, canales de
riego, irrigación y sistemas de drenaje.
Por tanto en esta investigación, además de bases de datos de precipitación diaria
se utilizan registros diarios de evaporación, y se utiliza la razón entre
precipitación y evaporación como indicador de dichos cambios anuales donde se
definen umbrales para cada Región Climática del territorio nacional. En el
cálculo de dichos umbrales se utiliza el método FAO-Penman Monteith para el
cálculo de evaporación con el fin de aplicar la metodología descrita por Allen et
al. (1998), que fue desarrollado para ser aplicado en cualquier país. Entonces se
plantea utilizar y validar este modelo con series
de tiempo del Tanque
evaporímetro tipo A que son propias de Costa Rica.
Adicionalmente se aplican los umbrales pentadales definidos mediante la razón
de la precipitación y el método FAO Penman-Monteith con el fin de definir el
inicio y conclusión de la época seca y lluviosa.
4
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
Desde los orígenes de la sociedad moderna se reconocía la importancia de
generar reportes meteorológicos y conservar dichos registros, tal como
evidencian Solano y Díaz (2005) con el reporte meteorológico de Isabel Calderón
publicado en la página tres del día cinco de octubre de 1905 en el periódico La
República. Es gracias a dicho interés en el tema meteorológico que hoy día
disponemos de sustanciosas bases de datos que nos permiten realizar estudios,
validaciones y análisis en el tema, estas son albergadas tanto por el Instituto
Meteorológico Nacional (IMN) como en otros entes públicos y/o privados.
Alvarado y Fernández (2001) mencionan los principales sistemas meteorológicos
que controlan los regímenes de lluvias en Costa Rica. A escala regional y local
son: los sistemas de brisa, los frentes de convergencia local, convección diurna,
ascensos forzados por las montañas y convergencia friccional. En la escala
sinóptica son: los vientos alisios, vientos ecuatoriales, la Zona de Convergencia
Intertropical, frentes fríos, ondas tropicales, vaguadas de altura, ciclones
tropicales y subsidencia asociada a anticiclones de altura.
Costa Rica es un país con diferentes regímenes de precipitación, en donde se
distinguen las siguientes Regiones Climáticas: Zona Norte, Caribe, Pacífico
Norte, Pacífico Central, Pacífico Sur y Valle Central. Para cada una de ellas se
definen diferentes fechas de inicio y conclusión de las épocas seca y lluviosa, así
como la aparición del Veranillo.
5
Alvarado y Fernández (2001) hacen referencia a la extensa cadena montañosa
que posee nuestro país, la cual está orientada de sureste a noroeste y divide a
Costa Rica en dos vertientes climáticas denominadas Vertiente del Pacífico y
Vertiente del Caribe. Nuestro sistema montañoso se caracteriza por presentar las
máximas elevaciones en la Cordillera de Talamanca (al sureste), mientras que las
mínimas alturas se encuentran en la Cordillera de Guanacaste (al noroeste) y
posee numerosa cantidad de pasos montañosos que se encargan de conectar
ambas vertientes. Recalcan que en la Vertiente del Caribe, El Niño se manifiesta
de una forma opuesta al Pacífico, es decir, con un aumento en las cantidades
anuales de precipitación. Señalan también que varios autores han demostrado que
tanto en el Océano Atlántico como en el Mar Caribe el número de ciclones
tropicales disminuye considerablemente durante episodios del El Niño, no así en
el Océano Pacífico donde más bien se forma mayor cantidad de ciclones.
Las variaciones del viento, entre otros, influyen en los valores de la evaporación
y son la principal causa de ocurrencia del veranillo.
Fernández et al. (1996) encontraron variaciones en los valores de precipitación
con respecto a la elevación en la que está instalada la estación meteorológica,
donde las máximas ocurren a media montaña tanto para barlovento como para
sotavento de nuestro sistema montañoso.
Muñoz et al. (2002) observaron que la distribución de la velocidad del viento en
nuestro país responde al comportamiento del viento a escala sinóptica y a su
interacción con la orografía. No se aprecia una relación general entre la
distribución mensual de la precipitación y la velocidad del viento en superficie,
pero se comprueba que al descender la velocidad del viento alisio se presenta un
aumento en la brisa del Pacífico que transporta humedad. Este factor aunado a la
existencia de nuestro sistema montañoso se favorece la presencia de lluvias. Los
autores encuentran una distribución bastante uniforme de la velocidad del viento
para las Regiones Zona Norte, Caribe, Pacífico Central y Sur. Mientras que para
6
el caso de las Regiones Pacífico Central y Valle Central hay un aumento de las
velocidades para los meses de diciembre a abril y julio, con una disminución en
septiembre y octubre.
Lizano (2007) encuentra que para el mes de enero al igual que en noviembre y
abril existe un aceleramiento de viento alisio en el Caribe, que es producto de la
presencia de frentes del norte, sistemas de alta presión del Atlántico norte y bajas
presiones locales al norte de Suramérica. Este viento alisio atraviesa las llanuras
ubicadas al norte de nuestro país y se proyecta hacia el Pacífico norte
convirtiéndose en una corriente en chorro conocido como el Chorro del
Papagayo. Esta aceleración de los alisios se percibe a lo largo de toda la costa
Pacífica, excepto en el Pacifico Sur. En el Pacífico norte el viento alisio empieza
a intensificarse en julio coincidiendo con el ´Veranillo de San Juan´.
El IMN (2008) en su Segunda Comunicación Nacional sobre Clima, Variabilidad
y Cambio Climático define los meses en que se da el inicio y conclusión de la
época seca y lluviosa para cada una de las regiones climáticas del territorio
nacional. El estudio se basó en análisis de datos históricos de precipitación. La
Región Pacífico Norte presenta su periodo seco de diciembre a marzo, con la
ocurrencia de dos periodos lluviosos, uno de mayo a agosto y otro de septiembre
hasta noviembre, con un Veranillo entre julio y agosto. Mientras la Región
Pacífico Central muestra su periodo seco de enero a marzo, dos periodos
lluviosos de mayo a agosto y de septiembre a noviembre, donde no se identifica
el veranillo. Para la Región Pacífico Sur tanto el periodo seco como los lluviosos
se asemejan a los del Pacífico Central, con la diferencia de un Veranillo
identificado entre julio y agosto.
En la Región del Valle Central el IMN define un periodo seco de enero a abril,
con periodos lluviosos de marzo a agosto y de septiembre a noviembre, además
presenta el Veranillo oriental de mediados de junio a mediados de julio y el
Veranillo occidental de mediados de junio a agosto. Para la Región de la Zona
Norte identifican un periodo seco de enero a abril, junto al periodo lluvioso de
7
mayo a diciembre o enero, sin la ocurrencia del Veranillo. En cambio la Región
Caribe no presenta una época seca definida pero si dos disminuciones anuales de
septiembre a octubre y de febrero a marzo, además de dos periodos lluviosos de
abril a agosto o septiembre y de noviembre a febrero, donde no se observa el
Veranillo.
Alfaro (2002) obtuvo dos patrones anuales que explican 72 % y 8% de la
varianza al analizar pentadas de precipitación con el análisis de Funciones
Empíricas Ortogonales. Para el primer caso obtiene una época seca de mediados
de noviembre a finales de mayo, caracterizada por vientos fuertes, valores altos
de radiación total (radiación difusa más directa) y una cantidad de horas sol en
los niveles bajos de la troposfera que indican valores mínimos de radiación en el
tope de la atmósfera. El inicio de la época lluviosa se adelanta para latitudes más
al sur mientras que se atrasa para posiciones más al norte, lo cual se debe
parcialmente al desplazamiento hacia el norte de la Zona de Convergencia
Intertropical (ZCIT) acompañado de una disminución de la velocidad del viento y
de la radiación total. La conclusión de la época lluviosa se da acompañada de la
migración de la ZCIT hacia el sur y una disminución de la disminución de los
valores radiación en el tope de la atmósfera, lo que concuerda con Alfaro y Cid
(1999). Con una ocurrencia del veranillo que inicia a mediados de julio y también
presenta la variación latitudinal del inicio de la época lluviosa, acompañado de un
aumento de la radiación total y la presencia del jet de bajo nivel (Amador, 1998)
que disminuye la humedad convectiva cerca de la costa Caribe de Costa Rica.
Para el segundo patrón que explica el 8 % de la varianza no se puede definir una
época seca utilizando el criterio Enfield y Alfaro (1999). Donde se aprecia un
periodo homogéneo entre enero y octubre, seguido por un marcado aumento de
las precipitaciones al final de año que se relaciona con el aumento de la humedad
convectiva.
La evaporación es el proceso físico mediante el cual el recurso hídrico se
transforma gradualmente en vapor de agua al vencer la tensión superficial y así
8
restablecer la humedad de la atmósfera perdida mediante la precipitación. La
evapotranspiración actual es la suma entre la evaporación del agua que la
superficie terrestre contiene, como producto de la radiación solar, y la
transformación del agua contenida en las plantas, la cual proviene de la absorción
de las mismas desde la tierra. Mientras la evaporación potencial es la demanda de
agua asumiendo que hay suficiente agua para que exista evapotranspiración.
Donde la evapotranspiración de referencia es la misma evapotranspiración
potencial pero aplicada a un cultivo de referencia.
Tanto la evaporación como la evapotranspiración se ve afectada por los factores
que se comentan a continuación: abióticos, edáficos, climáticos, propios del
cultivo y ambientales. Los factores abióticos que los afectan son la entrada y
salida de calor, diferencia entre la presión de vapor en la superficie y la masa de
aire sobre esta. Los factores edáficos que influyen en la evapotranspiración son el
contenido de agua en el suelo, contenido de sales y contenido de impurezas. Los
factores climáticos más influyentes en dichos procesos son la temperatura,
humedad relativa, velocidad del viento, e intensidad de la radiación solar. Los
factores del cultivo están fuertemente relacionados con el proceso de
evapotranspiración. Algunos de estos son profundidad de las raíces, grado de
cobertura del suelo, además del tipo, altura, rugosidad y variedad del cultivo. Los
factores ambientales
relacionados con la evapotranspiración
refieren
principalmente al manejo y riego del suelo, tales como déficit hídrico, tipo de
suelo.
Hidalgo et al. (2005) menciona que las anomalías diarias de evapotranspiración
potencial están más fuertemente correlacionadas con las anomalías de radiación
neta, humedad relativa y cobertura nubosa que con la temperatura promedio
diaria. Comenta que existe una relación directa entre cielos despejados y
anomalías positivas de evapotranspiración potencial. Afirma que existen muchas
razones por las cuales la evaporación calculada, utilizando una modificación del
método Penman, difiere de la evaporación observada a pesar de tomar en cuenta
tanto las limitaciones del método como las consideraciones del instrumental,
9
debido a que una cosa es una tasa potencial y otra es actual. La razón más obvia
es que los valores calculados y los observados se basan en datos recolectados de
diferentes superficies evaporantes.
Herrera (1985), afirma que la evaporación potencial para la época seca tanto en
Guanacaste como el Valle Central desciende para los meses de diciembre y enero
debido a la aceleración de la velocidad del viento y la insolación en dichas zonas.
Ramirez (1983), afirma que al estimar valores de evaporación para las regiones
del Pacífico Norte y Sur además del Valle Central se obtienen valores de
evaporación potencial mayores para los meses de julio y agosto. Sabiendo que el
Veranillo se presenta en dichos meses, explica que el comportamiento de la
evaporación se debe a que para este periodo es bien conocido el aumento en la
velocidad del viento y la insolación además de la disminución de la humedad
relativa. Condiciones climáticas que sin duda llevan al leve aumento de los
valores diarios a dicho parámetro.
La presente investigación utiliza datos climáticos a nivel diario para aplicar la
metodología descrita por Allen et al. (1998) en el cálculo, inicialmente de la
evapotranspiración de referencia y posteriormente la obtención de la evaporación
y con esto realizar un análisis similar al utilizado por Alfaro et al. (1998). Las
diferencias básicas con la técnica son, en primer lugar, se aplica la técnica sobre
el registro de evaporación, en segundo lugar, se estiman umbrales pentadales para
cada Región Climática del país.
10
CAPÍTULO 2
METODOLOGÍA
2.1 Método FAO Penman–Monteith
Howard Penman y John Monteith crearon el método Penman-Monteith, que se
basa en la ecuación desarrollada por Penman en 1948 pero esta vez le agregaron
la sensibilidad de la vegetación a los parámetros meteorológicos incluyéndole
resistencia aerodinámica y resistencia superficial, tal como lo muestra la figura
2.1.
Figura 2.1. Representación de la resistencia aerodinámica y superficial.
(Fuente: Allen et al., 1998).
La organización Food Agriculture Organization (FAO) convocó en mayo de
1990 un panel de expertos, en colaboración con la International Commision for
Irrigation and Drainage (ICID) y World Meteorological Organization (WMO).
Este panel decidió crear la ecuación FAO Penman- Monteith como nuevo
estándar para el cálculo de la evapotranspiración de referencia. Esta se basa en el
11
método Penman- Monteith pero ahora se definieron algunos parámetros como
constantes ya que se basa en un cultivo de referencia, el cual se describe más en
la sección 2.1.3 y su respectiva ecuación se describe en la sección 2.1.4. Esta
nueva propuesta reduce las imprecisiones del método anteriormente utilizado por
la FAO y produce globalmente valores más consistentes de uso de agua de
diversos cultivos. (Allen et al., 1998)
2.1.1
Resistencia aerodinámica
La resistencia aerodinámica (𝑟𝑎 ) se define como la transferencia de calor y vapor
de agua desde la superficie evaporante, es decir las plantas, hacia el aire. En
unidades de 𝑠 𝑚−1 . El cálculo de dicha resistencia utiliza los siguientes
parámetros: altura a la que se registra el viento (𝑧𝑚 ) en unidades de m, altura a la
que se registra la humedad (𝑧ℎ ) en unidades de m, plano de altura de
desplazamiento cero en unidades de m, longitud de la rugosidad (𝑧𝑜𝑚 ) que
gobierna la transferencia del momento en unidades de m,
longitud de la
rugosidad (𝑧𝑜ℎ ) que gobierna la transferencia de calor y vapor de agua en
unidades de m, constante de Von Karman (k) la cual tiene un valor de 0.41,
velocidad del viento (𝑢𝑧 ) a una altura z en unidades de m/s
𝑧 −𝑑
𝑧 −𝑑
𝑙𝑛[ 𝑚 ] 𝑙𝑛[ ℎ ]
𝑟𝑎 =
𝑧𝑜𝑚
𝑘 2 𝑢𝑧
𝑧𝑜ℎ
(2.1)
Esta ecuación se aplica en condiciones en las que la temperatura, la presión
atmosférica y la distribución de la velocidad del viento siguen condiciones casi
adiabáticas, es decir sin intercambio de calor. Debido a que la reconstrucción de
la evapotranspiración para una superficie de referencia bien regada tiene un
pequeño intercambio de calor, no necesitamos ningún ajuste de estabilidad.
Debido a que el interés es aplicar esta ecuación en nuestro pasto de referencia,
utilizando uno de los tantos estudios para calcular los parámetros necesarios en la
ecuación anterior.
12
La altura de desplazamiento cero de gran cantidad de cultivos puede calcularse
utilizando la siguiente ecuación, donde h representa la altura del cultivo en
unidades de m.
2
𝑑 = 3ℎ
(2.2)
La transferencia del momento que gobierna la longitud de la rugosidad de gran
cantidad de cultivos puede calcularse utilizando la siguiente ecuación.
𝑧𝑜𝑚 = 0.123 ℎ
(2.3)
La longitud de la rugosidad que gobierna la transferencia de calor y vapor de gran
cantidad de cultivos puede calcularse utilizando la siguiente ecuación.
𝑧𝑜ℎ = 0.1 𝑧𝑜𝑚 (2.4)
Incorporando las tres últimas ecuaciones, definiendo una altura promedio del
cultivo en 0.12 m y estandarizando las mediciones tanto de la temperatura,
humedad y viento en una altura de 2 m. Podemos entonces reducir la ecuación de
la resistencia aerodinámica (𝑟𝑎 ) de la siguiente forma.
𝑟𝑎 =
2.1.2
208
𝑢2
(2.5)
Resistencia superficial
La resistencia superficial (𝑟𝑠 ) es la suma entre la resistencia que presenta el
cultivo a transpirar y el agua contenida en el suelo a evaporarse. En unidades de
𝑠 𝑚−1. Si el cultivo no está transpirando potencialmente se debe tomar en cuenta
en contenido de agua contenido en la planta. Esta resistencia puede calcular con
la siguiente ecuación, utilizando los parámetros: resistencia estomática total 𝑟1de
una hoja bien iluminada en unidades de 𝑠 𝑚−1. Índice activo de foliar
(𝐼𝐴𝐹𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 ).
13
𝑟𝑠 =
𝑟1
𝐼𝐴𝐹𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
(2.6)
El índice de área foliar representa el área superior de la hoja por unidad de área
del suelo debajo de ella y es quien contribuye en la transferencia superficial de
calor y vapor. Su valor varía según la etapa de crecimiento alcanzando su
máximo antes o durante la floración, según la densidad y variedad del cultivo.
Gran cantidad de cultivos desarrollados presentan un valor de 3 a 5.
La resistencia estomática total es la resistencia media de cada hoja. Su valor varía
según el tipo, manejo y edad del cultivo alcanzando su máximo en la etapa de
madurez. Está influenciada por la disponibilidad de agua, aumentando al
encontrarse en deficiencia. También se ve afectada por condiciones climáticas
tales como evaporación, temperatura y déficit de presión de vapor.
Debido a que el interés es aplicar esta ecuación a nuestro cultivo de referencia,
tomaremos las siguientes ecuaciones generales para calcular los parámetros
necesarios. Dado que el índice de área foliar activo contempla solamente la parte
superior de la hoja se utiliza la siguiente relación.
𝐼𝐴𝐹𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 = 0.5 𝐼𝐴𝐹 (2.7)
Utilizando la altura del cultivo (h) en unidades de m, en la ecuación general.
𝐼𝐴𝐹 = 24 ℎ
(2.8)
Para el caso de la resistencia estomática de una sola hoja bajo condiciones bien
regadas se utiliza una valor de 100 𝑠 𝑚−1.
En el cálculo de la resistencia superficial se obtiene un valor fijo para nuestro
cultivo de referencia.
14
𝑟𝑠 = 70 𝑠 𝑚−1
2.1.3
(2.9)
Superficie de referencia
La superficie de referencia se define con el propósito de unificar parámetros sin
importar tipo ni etapa del cultivo. Los coeficientes de cultivo relacionan los
diferentes valores de evapotranspiración de diversos cultivos con la
evapotranspiración calculada en la superficie de referencia. Se relaciona la
evapotranspiración con un cultivo específico para incorporar los procesos tanto
físicos como biológicos
que se dan en la evapotranspiración de superficies
cultivadas.
Con el fin de evitar calibraciones locales al utilizar la ecuación Penman-Monteith
se define un cultivo hipotético de referencia el cual se define según el panel de
expertos de la FAO como: “Un cultivo hipotético de referencia con una altura
asumida de 0.12m, una resistencia superficial de 70 𝒔 𝒎−𝟏 y un albedo de
0.23”. En la siguiente figura se puede observar gráficamente dicho cultivo.
Figura 2.2. Características del Cultivo de referencia.
(Fuente: Allen et al., 1998).
El hecho de utilizar un cultivo hipotético de referencia conlleva variaciones en
los cálculos de la evapotranspiración que no precisamente cumplen con la
evolución del cultivo, debido a que cambios en la altura del cultivo debido a las
etapas de crecimiento implican variaciones en la rugosidad y el índice de área
foliar. El estrés hídrico y el grado de cobertura del suelo producen variaciones en
15
las resistencias y el albedo. Por estas variaciones es que se dan cambios en los
valores de resistencia aerodinámica y superficial a lo largo del proceso de
desarrollo del cultivo.
2.1.4
Ecuación FAO Penman–Monteith
El cálculo de la evapotranspiración de referencia (𝐸𝑇0 ) mediante el método FAO
Penman-Monteith se genera específicamente para una superficie hipotética de
referencia. Se trabaja en unidades de 𝑚𝑚 𝑑𝑖𝑎−1 . Los parámetros utilizados,
entre otros, son los siguientes: radiación neta (𝑅𝑛 ) en la superficie del cultivo en
unidades de 𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1,
radiación extraterrestre (𝑅𝑎 ) en unidades de
𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1, flujo del calor del suelo (G) en unidades de 𝑀𝐽 𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1,
temperatura media (𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ) del aire a 2m de altura en unidades de °C, velocidad
del viento a dos metros de altura (𝑢2 ) en unidades de 𝑚 𝑠 −1, presión de vapor de
saturación (𝑒𝑠 ) en unidades de kPa, presión real de vapor (𝑒𝑎 ) en unidades de
kPa, pendiente de la curva de presión de vapor (∆) en unidades de 𝑘𝑃𝑎 °𝐶 −1 ,
constante psicrométrica (𝛾) en unidades de 𝑘𝑃𝑎 °𝐶 −1 .
La siguiente ecuación se denominada FAO Penman-Monteith:
ET0 =
0.408 ∆ (Rn −G)+ γ
900
u
Tmedia +273 2
∆+γ (1+0.34 u2 )
(es −ea )
(2.10)
Esta ecuación es una buena representación tanto de los factores físicos como
fisiológicos que gobiernan el proceso de la evapotranspiración, los cinco
parámetros meteorológicos utilizados en su cálculo se muestran en el cuadro 3.2.
Como se muestra más adelante en el cuadro 3.1 no todas las estaciones
meteorológicas utilizadas en el presente estudio disponen de todos los
parámetros, por tanto se utilizó la ecuación 3.13 para generar la serie de datos de
radiación de las estaciones ubicadas en las regiones del Caribe, Zona Norte,
Pacífico Norte y Pacífico Central. Adicionalmente, en ausencia de datos de viento
a dos metros de altura para las estaciones ubicadas en las regiones Caribe, Zona
16
Norte y Pacífico Norte se usó un valor constante de 2m/s recomendado por Allen
et al. (1998).
El equipo meteorológico, funcionamiento y especificaciones del instrumental
para registrar los seis parámetros requeridos en la ecuación anterior se muestran
en el Anexo 3. Como lo son el heliógrafo que registra la insolación en unidades
de hora (h), los termómetros de máxima y mínima en unidades de grados Celsius
(°C), higrógrafo que registra la humedad relativa en porcentaje (%), el
actinógrafo mide la radiación global en unidades de cal*𝑐𝑚2 *mm, Tanque
evaporímetro tipo A en unidades de mm/día, anemógrafo
que registra la
velocidad (m/s) y dirección (°) del viento.
2.1.5
Evaporación a partir de FAO Penman – Monteith
El tanque evaporímetro responde de una manera similar a los mismos factores
climáticos que afectan la transpiración en los cultivos y por tanto es una buena
opción reconstruir las series de evaporación a partir de la evapotranspiración
calculada con FAO Penman-Monteith. Para esto se debe calcular el coeficiente
del tanque evaporímetro (𝐾𝑝 ). Se utiliza la ecuación de regresión dada por Allen
et al. (1998) para el cálculo del coeficiente del tanque, esta requiere los siguientes
parámetros: velocidad del viento (𝑢2 ), el porcentaje de humedad relativa media
diaria (𝐻𝑅𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ), distancia del tanque al cultivo (BORDE). Estos parámetros
tienen las siguientes restricciones: 1 𝑚 ≤ 𝐵𝑂𝑅𝐷𝐸 ≥ 1000 𝑚,
30 % ≤
𝐻𝑅𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ≥ 84 %, 1 𝑚 𝑠 −1 ≤ 𝑢2 ≥ 8 𝑚 𝑠 −1 .
Para elegir el 𝐾𝑝 apropiado debe considerarle el tipo de tanque, la cobertura del
suelo donde este se ubica y la de sus alrededores, así como la velocidad del
viento y humedad local. A partir de la ecuación 2.11 se estima un 𝐾𝑝 para cada
Región Climática del país, utilizado los valores de 𝑢2 y 𝐻𝑅𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 para cada
estación estudiada.
17
En Costa Rica el instrumento que posee registros más extensos para diferentes
zonas climáticas para el registro de evaporación es el Tanque tipo A. Por tanto la
ecuación para calcular el coeficiente del tanque evaporímetro (𝐾𝑝 ) es:
𝐾𝑝 = 0.108 − 0.086 𝑢2 + 0.0422 ln(𝐵𝑂𝑅𝐷𝐸) + 0.1434 ln(𝐻𝑅𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ) − 0.000631 [𝑙𝑛(𝐵𝑂𝑅𝐷𝐸)]2 ln(𝐻𝑅𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 )
(2.11)
La ecuación anterior debe ser ajustada si el tanque se encuentra bajo las
siguientes condiciones: tanque pintado de color negro, tanques con mallas
protectoras sobre este, tanque ubicados en zonas agrícolas, tanque ubicados en
grandes zonas sin vegetación, tanque rodeado por cultivos de gran altura, si el
nivel del agua dentro del tanque es inferior a la recomendada. Esta investigación
no requirió de ninguno de estos ajustes debido a que la instalación del
instrumental en Costa Rica cumple los lineamientos dictados por la WMO.
2.1.6
Debilidades y virtudes del método
La ecuación FAO Penman-Monteith a pesar de ser una ecuación robusta debido a
la variedad de parámetros meteorológicos que utiliza, no es capaz de determinar
la evapotranspiración perfectamente, debido principalmente a la simplificación en
su formulación y los errores en la recopilación de los datos climáticos. Al
comparar mediciones de evapotranspiración calculadas en laboratorio, generadas
en condiciones ambientales y biológicas controladas con instrumental preciso,
contra valores de campo reales podemos observar diferencias. Aún así el panel
decidió utilizar la definición del cultivo hipotético de referencia con el fin de
homogenizar las comparaciones para diferentes zonas del mundo.
Para asegurar el cálculo preciso de esta ecuación, los datos climáticos a utilizar
deben ser medidos o en su defecto convertido a 2 m de altura, los sensores
meteorológicos deben estar ubicados sobre una superficie extensa de pasto verde
que cubra completamente el suelo y sin limitaciones de agua.
18
La 𝐸𝑇0 calculada mediante la ecuación FAO Penman-Monteith provee un
estándar de comparación mediante el cual se pueden comparar valores para
diferentes épocas del año, comparar datos de diferentes regiones y relacionar
evapotranspiración de otros cultivos. Esta ecuación utiliza parámetros
meteorológicos comúnmente registrados. Utilizando el coeficiente del tanque
evaporímetro (𝐾𝑐 ) podemos calcular la evaporación reconstruida a partir del
valor de la evapotranspiración generados con la ecuación FAO PenmanMonteith.
2.1.7
Justificación del uso del método
La idea de utilizar la ecuación FAO Penman-Monteith surge debido a que
numerosos investigadores han analizado el funcionamiento de varios métodos del
cálculo para diversas localidades y este método se recomienda actualmente como
el método estándar para la definición y el cálculo de la evaporación de referencia
ET0 .
Durante un estudio realizado por Allen et al. (2000) se analizó el comportamiento
de 20 diversos métodos, usando procedimientos detallados para determinar la
validez de los resultados de estos métodos comparados con una base datos
obtenidos con lisímetros en 11 localidades, bajo condiciones climáticas variables.
Donde se encontró que el método de FAO Penman-Monteith produce resultados
relativamente exactos para una amplia gama geográfica y climática, además de
contar con provisiones para su uso en situaciones de falta de datos.
2.2 Validación del método
Según indica Villalobos (1996) una correcta evaluación del modelo utilizado
requiere el cálculo de los indicadores estadísticos recomendados por Fox (1981).
El sesgo nos permite conocer el error de apartamiento medio, estimando la
diferencia entre el valor esperado y el real. Lo ideal es que resulte no sesgado, lo
cual implica que no existe apartamiento entre ambos.
19
𝑀𝐵𝐸 = 𝑁 −1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑂𝑖 )
(2.12)
Donde
N: Número de casos.
𝑃𝑖 : Valor estimado
𝑂𝑖 : Valor observado
El segundo estadístico refiere a la varianza de la distribución de las diferencias.
Es la variabilidad de (P-O) respecto de MBE.
2
𝐷𝑆 2 = (𝑁 − 1)−1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑂𝑖 − 𝑀𝐵𝐸)
(2.13)
El promedio de las diferencias es la raíz cuadrada del error medio estimado
(MSE).
2 0.5
𝑅𝑀𝑆𝐸 = [𝑁 −1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑂𝑖 ) ]
(2.14)
Error absoluto medio se calcula utilizando la siguiente ecuación
𝑀𝐴𝐸 = 𝑁 −1 ∑𝑛𝑖−1 |𝑃𝑖 − 𝑂𝑖 ]|
(2.15)
Adicionalmente Willmott (1982) indica que el coeficiente de determinación no es
un índice adecuado para evaluar el grado de ajuste de un modelo dado y debido a
esto recomienda otros cálculos estadísticos para evaluar un modelo.
La desviación estándar de la variable observada se obtiene utilizando la próxima
ecuación
̅ 0.5
𝐷𝑆𝐸𝑟 = [𝑁 −1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑂𝑖 − 𝑂 )]
(2.16)
20
Mientras que la desviación estándar de la variable estimada se genera con la
ecuación
̅ 0.5
𝐷𝑆𝐸𝑐 = [𝑁 −1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑃 )]
(2.17)
Para obtener los valores de la intersección (a) y la pendiente (b) de la ecuación de
regresión de mínimos cuadrados se utiliza
𝑃̂𝑖 = 𝑎 + 𝑏 ∗ 𝑂𝑖
(2.18)
Como parámetro descriptivo que indique la calidad del ajuste de dicho modelo se
utiliza el índice de concordancia (d).
∑𝑁 (𝑃 −𝑂 )2
𝑖
𝑖
𝑑 = 1 − ⌊∑𝑁𝑖=1(|𝑃̃ |+|𝑂
⌋
̃ |)2
𝑖=1
𝑖
𝑖
(2.19)
Donde
̃𝑖 = 𝑃𝑖 − 𝑂̅
𝑃
̃𝑖 = 𝑂𝑖 − 𝑂̅
𝑂
Con 0 ≪ 𝑑 ≫ 1
El error sistemático es aquel error que se produce igualmente en todas las
mediciones y se obtiene con
2
̂
𝑀𝑆𝐸𝑠 = (𝑁)−1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑂𝑖 )
(2.20)
Mientras que el error no sistemático que surge de forma aleatoria se genera
utilizando
̂ 2
𝑀𝑆𝐸𝑢 = (𝑁)−1 ∑𝑁
𝑖=1(𝑃𝑖 − 𝑃𝑖 )
(2.21)
Donde
MSE=MSEs + MSEu
Para evaluar la bondad del ajuste se calcula el coeficiente de determinación como
sigue
21
2
𝜎𝑥𝑦
𝑟 2 = 𝜎2 𝜎2
𝑥
(2.22)
𝑦
Donde
2
𝜎𝑥𝑦
: Covarianza de (x,y)
𝜎𝑥2 : Desviación típica de x
𝜎𝑦2 : Desviación típica de y
Adicionalmente se gráfica y calcula el porcentaje de error para cuantificar el error
entre las observaciones y la fórmula propuesta.
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
|𝑉𝑐𝑎𝑙 −𝑉𝑜𝑏𝑠 |
𝑉𝑜𝑏𝑠
∗ 100 (2.23)
Donde
𝑉𝑐𝑎𝑙 : Valor calculado con el método.
𝑉𝑜𝑏𝑠 : Valor registrado con instrumental meteorológico.
Fox (1981) considera que las bases lógicas para la selección de un modelo deben
enfatizar la respuesta del modelo a un amplio rango de datos. Dadas estas
consideraciones se procede a generar la evaluación del modelo a nivel diario y
posteriormente a nivel mensual.
Villalobos (1996), reconoce que la interpretación de las medidas cuantitativas
para la evaluación del modelo utilizando las recomendaciones de Fox (1981) y
Willmot (1982) es básicamente descriptiva y basada en un criterio científico y no
sobre las bases de una medida de significancia estadística, este método de análisis
es una herramienta valiosa que permite visualizar muy acertadamente la relativa
habilidad de un modelo para ajustarse a los datos observados.
22
2.3 Metodología pentadal
El método desarrollado por Gramzow y Henry (1972), en el cual se analiza la
precipitación de 124 estaciones de Centro América, ha sido utilizado
anteriormente por investigadores tales como Amador (1984) y modificación de
Alfaro et al. (1998), esta es actualmente la técnica de común uso para definir el
inicio y conclusión de la época seca y lluviosa en Costa Rica.
Partiendo de datos diarios se calculan las 73 pentadas de evaporación y
precipitación para cada uno de los años seleccionados de cada estación utilizada
en este estudio, sin tomar en cuenta los febreros 29 durante los años bisiestos,
posteriormente se calculan los promedios para la primer pentada, luego para la
segunda y así sucesivamente para el total de estas hasta obtener una climatología
pentadal tanto de la precipitación como de la evaporación. Finalmente se plasma
el resultado en una gráfica para cada región climática del país.
2.3.1 Umbral pentadal
Según Jansa (1968) la definición de evaporación potencial es ‘La cantidad de
agua por unidad de área y por unidad de tiempo que se evapora a través de una
pequeña superficie expuesta al aire libre.’ Hidalgo et al. (2005) menciona que la
razón entre la evaporación potencial y la precipitación es una medida de aridez
utilizada en muchas metodologías de clasificación climática.
Dado que en esta investigación se demostró que el promedio de evaporación
varía para cada estación, se definen umbrales pentadales para la época seca y
lluviosa de cada una de estas de la siguiente forma. En las gráficas conjunta de
evaporación y precipitación se identifican para cada Región Climática, aquellas
pentadas consecutivas en las cuales la precipitación supere el valor de la
evaporación y se define como época lluviosa, mientras que en las pentadas
consecutivas en las cuales la evaporación supere el valor de la precipitación se
definen como época seca. La primer pentada en la cual se cumpla alguna de las
condiciones anteriores se identifica ese punto como el valor umbral respectivo.
23
CAPÍTULO 3
DATOS METEOROLÓGICOS
3.1 Limitaciones del dato
3.1.1 Instrumental meteorológico
El instrumental meteorológico de tipo mecánico en su mayoría trabaja con
relojería, que según indica ACC (1976) debe ser calibrada correctamente por un
experto para no alterar las mediciones registradas por el instrumental. Este
proceso debe llevarse a cabo en un determinado plazo según sea el caso de cada
tipo de reloj.
3.1.2
Observación meteorológica
Jansa (1968) concuerda en que el instrumental meteorológico de tipo mecánico
requiere para su manejo diario personal calificado y sumamente comprometido
para asegurar mediciones correctas, debido a que son ellos quienes toman las
mediciones y cambian las bandas cuando el instrumento lo requiere. Algunas de
las omisiones producto de una mala observación meteorológica son:

No cambiar las bandas del instrumental a la hora indicada.

Desajuste de agujas o bandas.

Olvidar tomar los datos.

Inventar los datos.

No mantener el nivel de agua del tanque de evaporación a la altura base.
24

Colocar mallas protectoras sobre el tanque.

Pintar las paredes internas del tanque con pintura negra.

Tomar mal las mediciones.
3.1.3
Ubicación geográfica
Las estaciones meteorológicas con las variables necesarias para el desarrollo de
este estudio no son tantas como se quisiera, sus registros varias en diversos
períodos que no precisamente concuerdan, y las ubicaciones de las mismas no
son necesariamente las más representativas de la respectiva zona climática en la
que se encuentran. Es debido a esto que las series de tiempo de las variables
meteorológicas deben ser rellenadas mediante algún método estadístico de los
propuestos más adelante.
3.2 Cálculo de parámetros requeridos
3.2.1
Presión atmosférica
La presión (P) se calcula utilizando una simplificación de la ecuación de Gases
Ideales una temperatura atmosférica estándar de 20°C, para la cual únicamente
necesitamos conocer la elevación (z), sobre el nivel del mar en unidades de
metros (m), del lugar donde se encuentra ubicada la estación meteorológica. Se
trabaja en unidades de kPa y la ecuación aplicada es:
293−0.0065𝑧
𝑃 = 101,3 × (
3.2.2
293
)
(3.1)
Calor latente de vaporización
El calor latente de vaporización (𝜆) representa la energía requerida para que una
masa de agua cambie de estado líquido a gaseoso a una presión y temperatura
constante. Donde a menor temperatura mayor será la energía requerida. Debido a
que su variación es tan pequeña se considera despreciable para simplificar la
ecuación y se utiliza la constante 2.5 MJ kg −1 a una temperatura del aire de
20°C.
25
3.2.3
Constante psicométrica
La constante psicométrica (𝛾) se calcula utilizando la presión atmosférica, la
constante para el calor latente (𝜆) que corresponde a 2.5 𝑀𝐽 𝑘𝑔−1 , la constante
para el calor especifico (𝐶𝑝 ) a presión constante que es 1.013 ×
10−3 𝑀𝐽 𝑘𝑔−1 °𝐶 −1 y el coeficiente del peso molecular (ε) del vapor de agua/aire
seco de 0.622. Su valor corresponde a 0.665 × 10−3 kPa °C−1. Se trabaja en
unidades de 𝑘𝑃𝑎 °𝐶 −1 y la ecuación aplicada es:
𝛾=
3.2.4
𝐶𝑝 ×𝑃
ε×𝜆
(3.2)
Temperatura del aire
La temperatura media (𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ) se calcula a partir de los datos de temperatura
máxima (𝑇𝑚𝑎𝑥 ) y temperatura mínima (𝑇𝑚𝑖𝑛 ), ambos en unidades de °C. Se
trabaja en unidades de °C y la ecuación aplicada es:
𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =
3.2.5
𝑇𝑚𝑎𝑥 +𝑇𝑚𝑖𝑛
2
(3.3)
Presión media de vapor de saturación
La presión media de vapor de saturación (𝑒𝑠 ) se calculara en función de la
temperatura, debido a que esta depende directamente de ella. En unidades de kPa.
La próxima ecuación utiliza los siguientes parámetros: presión de vapor de
saturación (𝑒 𝑜 (𝑇)) a una temperatura T del aire en unidades de kPa, temperatura
del aire (T) en unidades de °C.
𝑒𝑠 =
𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑎𝑥 )+ 𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑖𝑛 )
2
(3.4)
El cálculo de la presión de vapor de saturación a una temperatura máxima o
mínima dada se genera utilizando la ecuación.
26
17,27∗𝑇
𝑒 𝑜 (𝑇) = 6,6108 ∗ exp [𝑇+237,3]
(3.5)
En caso de utilizar temperaturas medias de la temperatura del aire en vez de
utilizar temperaturas máximas y mínimas produce subestimaciones de la presión
media de vapor de saturación. Como consecuencia el déficit de presión de vapor,
que expresa la energía evaporante de la atmosfera, será menor y por tanto
tendremos subestimación de la evapotranspiración del cultivo de referencia.
3.2.6
Pendiente de la curva de presión de saturación
El cálculo de la curva de presión de saturación (∆) se calcula a partir de la
temperatura del aire 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 , cuyo cálculo se indicó anteriormente y depende
únicamente de las temperaturas extremas. En unidades de 𝑘𝑃𝑎 °𝐶.
∆=
3.2.7
17,27∗𝑇
)]
𝑇 237,3
(𝑇+237,3)2
4098∗[0,6108∗𝑒𝑥𝑝(
(3.6)
Presión real de vapor derivada de la humedad relativa
Calcular la presión real de vapor de saturación (ea ) depende únicamente de la
presión de saturación de vapor de ambas temperaturas extremas 𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑎𝑥 ) y
𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑖𝑛 ), y de los valores extremos de la humedad relativa 𝐻𝑅𝑚𝑎𝑥 y 𝐻𝑅𝑚𝑖𝑛 .
ea =
3.2.8
𝐻𝑅
𝐻𝑅𝑚𝑎𝑥
+ 𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑎𝑥 ) 𝑚𝑖𝑛
100
100
𝑒 𝑜 (𝑇𝑚𝑖𝑛 )
2
(3.7)
Radiación
Inicialmente debe calcularse la distancia relativa inversa Tierra-Sol (𝑑𝑟 ), la cual
depende únicamente del día juliano J.
2𝜋
𝑑𝑟 = 1 + 0.033 ∗ 𝑐𝑜𝑠(365 𝐽)
(3.8)
También debe calcularse la declinación solar (𝛿), que depende únicamente del día
juliano J.
27
2𝜋
𝛿 = 0.409 ∗ 𝑠𝑒𝑛(365 𝐽 − 1.39)
(3.9)
Adicionalmente debe calcularse el ángulo de radiación a la hora de la puesta del
sol (𝜔𝑠 ), que depende tanto de la latitud (𝜑) en unidades de rad como de la
declinación solar (𝛿).
𝜔𝑠 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠(− tan(𝜑) tan(𝛿))
(3.10)
Con todos estos cálculos podemos obtener la radiación extraterrestre (𝑅𝑎 ), tal
como se definió anteriormente en unidades de 𝑀𝐽𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1. Dicha ecuación
utiliza además la constante solar (𝐺𝑠𝑐 ) en unidades de 0,082𝑀𝐽𝑚−2 𝑚𝑖𝑛−1
𝑅𝑎 =
24∗60
𝜋
𝐺𝑠𝑐 𝑑𝑟 [𝜔𝑠 𝑠𝑒𝑛(𝜑)𝑠𝑒𝑛(𝛿) + cos(𝜑)cos(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑠 )]
(3.11)
Además debemos calcular la duración máxima de insolación (N), utilizando el
cálculo anterior.
𝑁=
24
𝜋
𝜔𝑠
(3.12)
Finalmente podremos obtener el valor de la radiación solar o de onda corta (𝑅𝑠 ),
utilizando la fórmula de Ansgtrom. En unidades de 𝑀𝐽𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1. Además de los
cálculos anteriormente descritos, la siguiente ecuación utiliza los parámetros:
duración real de la insolación (n) en unidades de hora, la constante de regresión
(𝑎𝑠 ) que expresa la fracción de radiación extraterrestre que llega a la tierra en días
muy nublados cuando n=0 y la fracción de radiación extraterrestre que llega a la
tierra en días despejados (𝑎𝑠 + 𝑏𝑠 ) es decir cuando n=N.
𝑛
𝑅𝑠 = (𝑎𝑠 + 𝑏𝑠 𝑁) 𝑅𝑎
(3.13)
28
3.2.9
Velocidad del viento
El cálculo de la velocidad del viento a dos metros de altura (𝑢2 ). En unidades de
𝑚𝑠 −1. Puede calcularse partiendo de datos de velocidad del viento (𝑢𝑧 ) tomados
a uno altura diferente (z) como sigue.
4.87
𝑢2 = 𝑢𝑧 𝑙𝑛(67.8 𝑧−5.42)
(3.14)
En caso de no disponer de registros de la velocidad del viento a dos metros de
altura ni a ninguna otra altura. Puede utilizarse la constante de 2 𝑚𝑠 −1, dado que
este es el valor promedio de 2000 estaciones meteorológicas en todo el mundo
(Allen et al., 1998).
3.3 Selección de Estaciones Meteorológicas
3.3.1 Criterio de selección
En la Base de Datos del Instituto Meteorológico Nacional existen registros de
alrededor de 50 estaciones con el sensor de evaporación denominado Tanque
tipo A. Desdichadamente dichas series de tiempo en algunos casos no son muy
extensos y/o su ubicación suele ser aglutinada por cuenca y/o sus registros no
concuerdan con los de las otras variables necesarias en este estudio, como lo son
los valores diarios de: temperaturas extremas, humedades relativas extremas,
radiación, insolación, viento a dos metros de altura y evaporación.
Se decidió por tanto utilizar los siguientes criterios de selección y en dicho orden.
i.
Estaciones que contienen las variables meteorológicas requeridas.
ii.
Estaciones en las cuales los periodos de las variables meteorológicas
concuerden en el tiempo.
29
iii.
Estaciones representativas de cada una de las regiones climáticas definida
para Costa Rica.
iv.
Estaciones con las series de tiempo más extensas.
3.3.2
Estaciones meteorológicas seleccionadas
El siguiente cuadro 3.1 muestra la información básica de cada una de las
estaciones seleccionadas, como lo son: número y nombre de la estación,
elevación sobre el nivel del mar, ubicación geográfica, región climática, años
utilizados y parámetros disponibles.
En la Figura 3.1 se aprecia la ubicación geográfica de cada una de las estaciones
seleccionadas para el estudio dentro del mapa de Costa Rica, incluye una barra de
elevaciones. Este mapa fue proporcionado por el IMN y fue diseñado mediante el
Sistema de Información Geográfica (SIG), el cual es una integración organizada
de hardware, software e información geográfica.
Posteriormente a la selección de estaciones a utilizar se decidió utilizar
únicamente aquellos años en los cuales los registros del Tanque evaporímetro
tipo A estuviesen más completos. Lo cual nos lleva a una cantidad diferente de
años analizados para cada Región Climática de nuestro país, que varía según sea
la estación entre seis y veintitrés años.
Como se observa en el cuadro 3.1 la Zona Norte será representada por la estación
de Santa Clara con un registro de 12 años, mientras que la Región Caribe tiene un
total de 7 años para la estación La Mola. La estación Fabio Baudrit es la estación
con el período de años más extenso con 23 años y es quien simboliza el Valle
Central. Para el Pacífico se tienen las estaciones de Llano Grande con 8 años para
el sector Norte, al mismo tiempo que la región central se identifica con la
estación de Damas con un registro de 6 años y la parte Sur es caracterizada
mediante la estación de Pindeco con 10 años.
30
Cuadro 3.1. Nómina de estaciones seleccionadas.
Número
estación
69579
Nombre
estación
Santa Clara,
ITCR
Región
climática
Zona Norte
71002
La Mola
74020
Llano
Grande,
Liberia
84023
Estación
Experimental
Fabio
Baudrit
Valle
Central
Damas
Pacífico
Central
90009
98027
Pindeco
Caribe
Pacífico
Norte
Pacífico Sur
Elevación
(msnm)
183
94
80
840
21
401
Latitud
(°)
10,36
10,34
10,60
10,02
9,50
9,15
Longitud
(°)
Años
Parámetros
84,51
1987 a 1994,
1998 a 2000,
2006, 2007,
2009, 2010.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol,
evaporación,
precipitación.
83,67
2001, 2003,
2004, 2005,
2007, 2009,
2010.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol,
evaporación,
precipitación.
85,54
1976, 1978,
1981 a 1983,
1986, 1987,
1989.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol,
evaporación,
precipitación.
84,27
1974, 1975,
1977, 1978,
1980, 1982 a
1984, 1986 a
2000.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol,
radiación, viento,
evaporación,
precipitación,
precipitación.
84,21
2001, 2005 a
2007, 2009,
2010.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol, viento,
evaporación,
precipitación.
83,34
1986 a 1991,
1998, 2001,
2003, 2004.
Temperatura,
humedad relativa,
horas sol, viento,
radiación,
evaporación,
precipitación.
31
Figura 3.1. Ubicación geográfica de las estaciones seleccionadas.
32
3.3 Control de calidad de los datos
Se partió de datos a nivel diario provenientes del Instituto Meteorológico
Nacional (IMN), específicamente de estaciones de tipo mecánico. Dichos datos
reciben un filtro de control de calidad previo al ingreso a la Base de Datos del
IMN.
Alfaro y Araya (2008) recomiendan estadísticas necesarias de Control de Calidad
del dato para obtener buenos resultados en las investigaciones. Las cuales se
utilizan en el presente estudio acoplados a cada uno de los parámetros y
resolución empleada.
Adicionalmente
al filtro de incorporación a la Base del Datos del IMN se
generan controles de calidad según las estadísticas básicas, con el fin de filtrar,
verificar y eliminar datos considerados atípicos. A nivel mensual se analizan
estadísticas como promedio, desviación estándar, máxima, mínima, media, moda,
coeficiente de variación. A nivel diario se verifican estadísticas como saltos,
rangos, anomalías, valores repetidos. Conjuntamente se generan gráficos de
rangos, saltos, anomalías, para cada mes, histogramas de frecuencia relativa
mensual.
3.4.1 Caso de la humedad relativa y temperatura.
Debido al comportamiento relativamente estable que caracteriza a las variables
tanto de humedad relativa como de temperatura y dado que se utilizan sus valores
extremos diarios, el IMN utiliza las siguientes cotas:

T max < 40 °C

T min > 0 °C

HR max ≤100%

HR min ≥ 20 %
33
3.4.2
Caso del viento.
Se utiliza únicamente la velocidad a dos metros de altura, popularmente conocida
como viento del tanque. Dicha variable tiene la cota:

3.4.3
0 𝑚 𝑠 −1 >Viento < 30 𝑚 𝑠 −1
Caso de la radiación, insolación y evaporación.
Tanto los valores de radiación como insolación y evaporación real se ven
afectadas por la cobertura nubosa y como es conocido carecemos de este tipo de
registros. El IMN utiliza las siguientes cotas para dichas variables:
3.5

5.0 𝑀𝐽𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1 < Radiación > 32 𝑀𝐽𝑚−2 𝑑𝑖𝑎−1

0h < Insolación > 13h

0 𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎< Evaporación > 12𝑚𝑚/𝑑𝑖𝑎
Estimación de los datos faltantes
La falta de registros completos de cada parámetro utilizado para reproducir las
series de evapotranspiración utilizando el método propuesto en este estudio,
fuerza el relleno de estos datos denominados faltantes. El Cuadro 3.2 muestra los
porcentajes de datos faltantes para cada una de las variables meteorológicas y su
respectiva estación, donde NA indica que no se dispone del registro de datos.
El método predictivo auto regresivo es el método mediante el cual se completaran
los datos faltantes en las series de tiempo de las diferentes variables. Se utilizara
este y no otro método debido a la falta de estaciones cercanas con periodos de
datos semejantes.
34
Cuadro 3.2. Porcentajes faltantes de los parámetros disponibles.
Parámetro
/ Estación
Santa
Clara,
ITCR
La Mola
Llano
Grande,
Liberia
Estación
Experimental
Fabio
Baudrit
Damas
Pindeco
Humedad
relativa
máxima
8
1
3
0
13
7
Humedad
relativa mínima
11
2
5
6
18
10
Horas sol
12
13
7
2
6
6
Radiación
global
NA
NA
NA
0
NA
9
Velocidad
viento
NA
NA
NA
27
7
48
Temperatura
máxima
13
1
1
1
2
0
Temperatura
mínima
22
11
4
3
17
2
Evaporación
13
6
12
5
21
10
Precipitación
1
1
0
0
1
20
Para el relleno de datos ausentes se utilizaran las rutinas, programas y
conclusiones definidas por Alfaro y Soley (2009). Según indican este método
puede recuperar la señal estacional y aquellas señales cuya persistencia en tiempo
sean compatibles con el tiempo de muestreo, pero no son capaces de reproducir
los datos perdidos. Dicho método utiliza modelos predictivos auto regresivos
conocidos como AR(p), el cual es un modelo lineal que utiliza los valores de p
tiempos de muestreo anterior y posterior para estimar el valor en un tiempo dado;
según Ulrych y Bishop (1975), además por Ulrych y Clayton (1976).
Una propiedad de dicho método, reconocida por los autores, es que pueden
recoger señales cuya persistencia es comparable a la longitud del filtro. Según
indican, adicionalmente tienen la propiedad que por el principio de Máxima
Entropía los valores calculados son consistentes con las propiedades estadísticas
de la serie sin incluir suposiciones externas a los datos Alfaro y Soley (2009).
35
Dado que todas las estaciones seleccionadas mantienen registros de temperatura y
humedad relativa, dichas series de tiempo se rellenan utilizando el método
estadístico auto regresivo.
En el caso de las estaciones que tenían registros de velocidad del viento a dos
metros de altura, como lo son Damas, Pindeco y Fabio Baudrit; estos se
rellenaron utilizando el método auto regresivo.
En el caso de las estaciones que no tenían dichos registros de velocidad de viento
a ninguna altura, como lo son Santa Clara, La Mola y Llano Grande. Se utiliza la
constante de 2 𝑚 𝑠 −1, recomendada en la publicación en la cual se basa esta
investigación, Allen et al. (1998), dado que este es el valor promedio de 2000
estaciones meteorológicas en todo el mundo.
Tal como se observa en el Cuadro 3.2 la estación llamada Pindeco tiene un
porcentaje de datos faltantes de 48%. La razón por la cual se decide utilizar dicho
registro en vez de la constante recomendada es porque se consideran más
realistas para el caso de Costa Rica, los valores rellenados con el método auto
regresivo que la dicha constante. Ya que como muestran Muñoz et al. (2002) el
comportamiento anual de la velocidad del viento para la estación de Pindeco
tiene un comportamiento uniforme que varía entre 0.8 m/s y 1.7 m/s.
Para aquellas estaciones que registran radiación, como lo son Fabio Baudrit y
Pindeco. Se completan sus registros de datos faltantes utilizando el método
estadístico auto regresivo.
En el caso de las estaciones La Mola, Santa Clara, Llano Grande y Damas,
debido a su falta de registros de radiación, se utiliza el método recomendado por
el panel de expertos descrito anteriormente. Dicho método se basa en utilizar la
fórmula de Ansgtrom que relaciona la radiación solar con la radiación
36
extraterrestre y la duración relativa de la insolación además de la nubosidad,
mediante la ecuación 3.13 y sucesivas que se detallan en la sección 3.2.8.
37
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.1
Evaluación del modelo a nivel diario
Inicialmente se grafican los valores diarios de los años seleccionados para ver la
distribución espacial de la evaporación en dicha resolución tanto de la serie de
tiempo del Tanque evaporímetro tipo A como la calculada con el método FAO
Penman-Monteith. Seguidamente
se genera un gráfico de dichas diferencia
diarias, entre los valores calculados y los reales, para obtener la variación de
ambas series en 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎 .
Figura 4.1. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul) y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 98027 –
Pindeco. (MAE=3.12 mm)
38
Figura 4.2 Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la
estación 98027 - Pindeco. (RMSE=3.51 mm)
Con ayuda de la figura 4.1, 4.2 y las presentadas en el Anexo 2 de la figura A2.1
a la A2.10 podemos analizar las variaciones diarias y las diferencias entre la serie
observada y la calculada. La estación de Llano Grande, Fabio Baudrit y Damas
presentan las gráficas más consistentes al comparar las series de evaporación
calculada y observada. Santa Clara, La Mola y Pindeco evidencian rangos de
variación con amplitudes muy diferentes al comparar el modelo con el tanque.
Respecto a las diferencias, Santa Clara presenta variaciones entre -4 y 6 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎,
La Mola muestra un intervalo entre -2 y 8 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎 , Llano Grande presenta una
oscilación anual muy marcada en la distribución de las diferencias que ronda los 6 a los 6 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎, Fabio Baudrit variación entre -4 y 10 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎 hasta el año
1985, luego el rango se disminuye a valores que rondan entre -2 y 6 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎,
Damas expone un rango entre -6 y 4 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎 y Pindeco tiene un intervalo que
ronda los -3 y 8 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎 .
En el cuadro 4.1 se muestran las estadísticas de validación obtenidas para el
modelo FAO Penman-Monteith. Donde vemos que en general los errores son
altos y mayormente de origen sistemático, esto podría mejorarse con un mejor
39
ajuste del modelo para Costa Rica, pero además es la razón por la cual los índices
de concordancia son relativamente bajos. En dichas tablas se aprecia la sobre
estimación del modelo FAO Penman-Monteith sobre el dato real en el total de los
casos, debido a que el valor promedio del dato calculado con el modelo (𝐸𝑟 )
siempre supera el valor promedio del dato observado (𝐸𝑐 ). El índice de
concordancia más alto es el de la estaciones de Llano Grande y Fabio Baudrit, al
igual que el coeficiente de determinación, lo cual indicar que esta es la estación
que mejor ajusta el modelo. La estación de Damas presenta los valores más bajos
tanto del error de estimación como del error absoluto medio.
Cuadro 4.1. Evaluación del modelo a nivel diario.
ESTACION
69579 - Santa
Clara
71002 – Mola
74020 - Llano
Grande
84023 - Fabio
Baudrit
90009 – Damas
98027 – Pindeco
Er
Ec
DS_Er DS_Ec
N
a
b
3.48
5.83
1.564
2.93
6.26
6.98
MAE RMSE RMSEs RMSEu
d
r²
1.56
4381
0.63
3.61
2.45
2.70
2.41
1.21
0.55
0.40
1.612
1.63
2556
0.55
4.64
3.42
3.67
3.40
1.37
0.45
0.29
7.63
2.798
1.83
2921
0.46
4.42
1.72
2.10
1.64
1.30
0.77
0.49
5.19
8.07
2.377
2.47
8766
0.71
4.37
3.02
3.46
2.95
1.79
0.64
0.47
4.48
4.76
1.820
1.06
2190
0.28
3.49
1.18
1.62
1.33
0.93
0.63
0.23
4.44
7.40
1.787
1.75
3652
0.42
5.54
3.12
3.51
3.13
1.58
0.47
0.18
Tal como menciona Villalobos (1996), la presentación de los datos en gráficos es
muy valiosa y útil para identificar los patrones en las diferencias entre los datos
medidos y los estimados así como los casos extremos. Por tanto se generan las
curvas de dicho ajuste entre los valores diarios de la evaporación real, registrada
mediante el Tanque de evaporación tipo A, y calculada, mediante el modelo FAO
Penman-Monteith. A estos datos de resolución diaria se les calcula la ecuación de
regresión de mínimos cuadrados para generar la curva de mejor ajuste y así
obtener los valores de la intersección ‘a’ y la pendiente ‘b’.
Al observar la figura 4.3 y las de Anexo 2 de la A2.11 a la A2.15, en las cuales se
grafican las curvas de ajuste la evaporación calculada y estimada. Lo primero que
se percibe es la diferencias de escalas entre el eje ‘x’ y el eje ‘y’ en las gráficas de
Pindeco, y Fabio Baudrit., esto nos indica claramente que el modelo está sobre
estimando los valores reales de la evaporación. Sin embargo se aprecia y se
40
confirma con los parámetros de regresión calculados para cada estación indican
que el modelo no sobreestima en todo momento.
Figura 4.3. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 90009 –
Damas. (𝑟 2 = 0.23)
La distribución de los puntos en la estación ubicada en la Zona Norte tiende a
subestimar cuando la demanda atmosférica de agua para el caso de la serie
observada es mayor a los 6 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎. El Caribe muestra una distribución bastante
dispersa para demandas atmosféricas menores a 7 𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎, pero presenta el
mismo comportamiento que la estación de Santa Clara. Para el caso del Pacífico
Norte la estación de Llano Grande muestra una distribución ajustada. La estación
con el mayor número de años analizados es Fabio Baudrit y es quien representa al
Valle Central donde se observa una distribución de puntos bien definida y
centrada. La estación del Pacífico Central es la que tiene el menor número de
años analizados y es la que posee una distribución más dispersa. Pindeco es la
estación meteorológica que representa al Pacífico Sur y también refleja ese
comportamiento disperso en los valores extremos y centrados en los valores
medios.
41
4.3
Evaluación del modelo a nivel mensual
Con el fin de promediar los valores de evaporación se calcularon los acumulados
mensuales totales para cada estación y se dividieron en la cantidad de años,
donde la cantidad de años utilizados varía según la estación.
En el cuadro 4.2 y el cuadro A1.3 del Anexo 1 se muestran los valores extremos
de los promedios mensuales de la evaporación calculada. Se aprecia que a
excepción de Llano Grande (abril) todas las estaciones presentan su valor
máximo en el mes de marzo, sólo Llano Grande (octubre) y Fabio Baudrit
(septiembre) no presentaron su valor mensual mínimo en el mes de noviembre.
Las variaciones presentadas por las estaciones en orden descendente son: Pacífico
Sur de 169mm, Valle Central en 140mm, Pacífico Norte de 110mm, Zona Norte
de 85mm, Pacífico Central rondo los 75mm y Región Caribe tuvo una fluctuación
de 50mm.
Cuadro 4.2 Valores extremos mensuales de las diferencias de evaporación.
Estación
74020 - Llano Grande
Mes_max
3
Máximo
300
Mes_min
10
Mínimo
190
Como se observa en la figura 4.4, la estación de Llano Grande de Liberia tiene un
comportamiento mensual similar entre la evaporación estimada (verde) y
observada (azul), donde se aprecia que la ecuación sobreestima mayormente los
valores obtenidos durante los meses lluviosos. Tal comportamiento se repite en
las demás estaciones, según Anexo 2 figuras de la A2.16 a la A2.20, donde las
estaciones según cuenca y número de estación: 69579, 71002, 84023, 90009 y
98027 ilustran un comportamiento muy similar para ambas series. Se observa que
La Mola y Pindeco son las estaciones con mayores diferencias entre el modelo y
la realidad.
Del análisis gráfico que muestra Lizano (2007), se observa que en el Pacífico
Central y Sur ocurren dos leves disminuciones durante junio y agosto momento
en que el viento alisio se acelera nuevamente en el Caribe. Menciona que para la
42
costa Caribe los vientos norte y los sistemas de alta presión en el Atlántico hacen
que en esta región soplen los vientos alisios intensamente desde noviembre hasta
abril, y tiene un aumento significativo en julio coincidiendo nuevamente con el
veranillo.
Figura 4.4. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 74020 – Llano Grande,
Liberia. (MAE= 215.36 mm)
Mediante la observación de las mismas figuras, podemos evidenciar dentro del
periodo de valores mínimos de evaporación, un leve aumento de dicha variable
durante los meses de julio y agosto para las estaciones del Pacífico y Valle
Central, mientras que para el Caribe y la Zona Norte el incremento se da en
septiembre y octubre. Donde el incremento varía según sea el caso entre 5 y 20
mm. Lo cual podría evidenciar la existencia del veranillo en todo el territorio
nacional.
A partir de los datos de evaporación diaria se realiza una selección mensual y se
procede a calcular el acumulado de cada mes, utilizando todos los años
seleccionados para cada estación. Posteriormente se generan las gráficas
respectivas de mejor ajuste para ambas series de tiempo de evaporación, como se
muestra en la figura 4.5, esta vez en resolución mensual. Se calcula la ecuación
de regresión de mínimos cuadrados para generar la curva que ajuste ambas series
43
y así obtener los valores de la intersección ‘a’, la pendiente ‘b’ y todas las
estadísticas anteriormente mencionadas que fueron recomienda inicialmente Fox
(1981) en conjunto con las mencionadas por Willmot (1982).
Figura 4.5. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, para el caso de la estación 84023 –
Est.Exp.Fabio Baudrit. (𝑟 2 = 0.98)
La figura 4.5 que corresponde a la estación del Valle Central muestra la mejor
curva de ajuste obtenida. Observando las figuras de la A2.79 a la A2.83 del
Anexo2. Encontramos que la Zona Norte, Pacífico Central y Norte obtuvieron un
ajuste tan bueno como el de la figura aquí mostrada. Mientras que las estaciones
del Caribe y Pacífico Sur obtuvieron las distribuciones más dispersas, donde los
puntos no se alinea con la curva de ajuste.
Cuadro 4.3: Evaluación del modelo a nivel mensual.
ESTACION
69579 - Santa
Clara
71002 - Mola
74020 - Llano
Grande
84023 - Fabio
Baudrit
90009 Damas
98027 Pindeco
Er
Ec
DS_Er
DS_Ec
N
1271.42 2128.58
206.45
302.39
638.61
1361.73
50.50
1699.40 1859.01
457.07
a
b
MAE
RMSE
RMSEs
RMSEu
d
r²
12 1.43
308.46
857.15
863.56
861.39
61.23
0.35 0.95
83.64
12 0.83
830.85
723.12
726.48
723.17
69.25
0.10 0.25
304.69
12 0.63
774.10
215.36
239.92
224.75
83.96
0.89 0.91
3714.03 5800.96 1286.17 1227.93 12 0.94 2282.08 2086.93 2092.94 2087.93 144.68 0.65 0.98
817.98
870.00
132.42
119.80
12 0.87
153.37
52.66
61.41
54.33
28.62
0.93 0.93
1361.43 2253.88
200.52
262.93
12 1.24
555.89
892.44
897.07
893.70
77.69
0.34 0.90
44
Tal como se aprecia en el cuadro 4.3 fue la estación Experimental Fabio Baudrit
quien reporto el mayor error sistemático y el mayor coeficiente de determinación
de todas las series. Se evidencia que las mejores estadísticas las obtuvieron las
estaciones de Llano Grande y Damas, con los valores más aceptables del índice
de concordancia y coeficiente de determinación. Todas las otras estaciones
coinciden en que el error es mayormente sistemático.
Tanto el error absoluto medio como la raíz cuadrada del error medio estimado
son parámetros que sirven para cuantificar el grado de error cometido en la
estimación del parámetro, según Wilmott (1982) cuanto más cercano a cero sea el
error entonces mejor se aplica el modelo. Damas presentan el valor más bajo del
error medio absoluto y de la raíz cuadrada del error medio estimado, que a pesar
de ser el más bajo de todas las estaciones sigue siendo alto y lejano de cero.
De este análisis se concluye que es la estación de Llano Grande quien mejor se
ajusta al modelo, debido a que sus estadísticas son las mejores del conjunto de
series de tiempo analizadas. Las estadísticas mostradas no son las esperadas y
esto se debe principalmente a la brecha existente entre la serie de tiempo obtenida
con el modelo FAO Penman-Monteith y las obtenidas mediante el Tanque de
evaporación Tipo A, que se refleja en todas las gráficas anteriormente
mencionadas como la sobre estimación de los datos calculados sobre los
observados.
4.4
Identificar el cambio de época seca a lluviosa y viceversa
Se calcula el promedio de evaporación diaria para todo el registro de cada una de
las series de tiempo, los valores resultantes se muestra en el cuadro 4.4.
Comparando ambas columnas se confirma una vez más la sobre estimación de la
formula sobre las observaciones. Tal como se mostró en el cuadro 3.1 la cantidad
de años varía según sea la estación entre 6 y 23.
45
Según las experiencias en el procesamiento de datos del tanque evaporímetro tipo
A, las observaciones mencionadas por Hidalgo et al. (2005) respecto a la
dependencia de la evaporación con respecto a otras variables climáticas y las
deficiencias anteriormente comentadas en el registro de los mismos, se conoce
que dichos registros podrían subestimar el valor real de evaporación.
Cuadro 4.4 Valores promedio de la evaporación diaria.
Promedio
Estación
69579 - Santa Clara
71002 – Mola
74020 - Llano Grande
84023 - Fabio Baudrit
90009 – Damas
98027 – Pindeco
Calculada
(mm/día)
5.8
6.0
7.6
8.0
4.8
8.2
Observada
(mm/día)
3.5
3.0
7.0
5.0
4.5
4.0
Actualmente en el territorio nacional se encuentran instalados una muy pequeña
cantidad de instrumental de este tipo y no se visualiza una activación de dicha
red. Lo cual nos llevara a una ausencia de registros de evaporación observada y
no tendremos más opción que calcularla. Debido a esta situación es que se decide
realizar los análisis basados en los valores calculados y no en los observados.
Al observar la primera columna del cuadro 4.4 vemos que se cumple lo
comentado por Alfaro et al. (1998) respecto al valor promedio de la evaporación
que varía entre 5 y 8 mm para Centroamérica, pero también se evidencia que
estos autores al utilizar el valor promedio pentadal de 25 mm para todo Costa
Rica están dejando por fuera la variabilidad de la evaporación que se evidencia en
dicho cuadro para cada una de las Regiones Climáticas nacionales.
Graficar las series de tiempo observado, calculado y su respectivo porcentaje de
error nos permiten visualizar las diferencias que existen entre ambas. Esto se
aprecia en las figuras 4.7, 4.8, 4.9 y las incluidas en el Anexo 2 figuras A2.26 a la
A2.40.
46
Figura 4.6 Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 74020 – Llano Grande, Liberia.
Figura 4.7 Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de la
estación 74020 – Llano Grande, Liberia.
Figura 4.8 Porcentaje de error para las pentadas de evaporación diaria, para el caso de la estación
74020 – Llano Grande, Liberia.
47
Las figuras 4.9 y 4.10 además de las incluidas en el Anexo 2 de la A2.29- A2.30A2.34- A2.35- A2.39- A2.40- A2.44- A2.45- A2.49- A2.50, muestran la relación
y comportamiento promedio pentadal anual de la precipitación y la evaporación
independientemente para las seis Regiones Climáticas del país. Donde se generan
dos gráficos por estación, ya que uno contiene la serie de evaporación estimada y
la precipitación mientras el otro contiene la evaporación observada y la misma
serie de precipitación.
Figura 4.9 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO
Penman-Monteith, caso de la estación 74020 – Llano Grande, Liberia.
Figura 4.10 Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo A, caso de la estación 74020 – Llano Grande, Liberia.
48
Cuadro 4.5 Inicio y conclusión la época seca y lluviosa, según método FAO Penman-Monteith.
REGION
EPOCA SECA
UMBRAL
FECHA
EPOCA LLUVIOSA
UMBRAL
FECHA
inicio: 28 mm
final: 34 mm
26-30/1 o
pentada 6 hasta
2-6/5 o pentada
25.
inicio: 34
mm
final: 28 mm
7-11/5 o
pentada 26 hasta
21-25/1 o
pentada 5.
inicio: 25 mm
final: 25 mm
22-26/3 o
pentada 17
hasta 6-10/4 o
pentada 20.
inicio: 25
mm
final: 25 mm
12-16/4 o
pentada 21 hasta
17-21/3 o
pentada 16.
inicio: 33 mm
final: 38 mm
13-17/11 o
pentada 64
hasta 12-16/5 o
pentada 27.
inicio: 35
mm
final: 33 mm
4-8/8 o pentada
44 hasta 8-12/11
o pentada 63.
inicio: 34 mm
final: 35 mm
11-15/7 o
pentada 39
hasta 30/7-3/8
o pentada 43.
inicio: 38
mm
final: 34 mm
17-21/5 o
pentada 28 hasta
6-10/7 o pentada
38.
inicio: 31 mm
final: 42 mm
28/10-1/11 o
pentada 61
hasta 12-16/5 o
pentada 27.
inicio: 42
mm
final: 33 mm
17-21/5 o
pentada 28 hasta
20-25/6 o
pentada 35.
inicio: 33 mm
final: 35 mm
26-30/6 o
pentada 36
hasta 15-19/8 o
pentada 46.
inicio: 35
mm
final:
31 mm
20-24/8 o
pentada 47 hasta
24-28/11 o
pentada 60.
PACIFICO inicio: 20 mm
CENTRAL final: 24 mm
1-5/1 o pentada
1 hasta 12-16/4
o pentada 21.
inicio: 24
mm
final: 20 mm
17-21/4 o
pentada 22 hasta
27-31/12 o
pentada 73.
PACIFICO inicio: 37 mm
SUR
final: 43 mm
2-6/12 o
pentada 68
hasta 17-21/4 o
pentada 22.
inicio: 43
mm final:
37 mm
22-26/4 o
pentada 23 hasta
27/11-1/12 o
pentada 67.
ZONA
NORTE
CARIBE
VALLE
CENTRAL
PACIFICO
NORTE
49
Al analizar las gráficas 4.9 y 4.10 para cada estación que definidos anteriormente
y las mostradas en Anexo 2 figuras A2.29- A2.30- A2.34- A2.35- A2.39- A2.40A2.44- A2.45- A2.49- A2.50 se obtienen los cuadros 4.5 y 4.6, donde se
muestran las fechas de inicio y conclusión de la época seca y lluviosa para cada
Región Climática de Costa Rica basado en análisis de evaporación estimada y
observada.
El cuadro 4.5 contiene las fechas de inicio y conclusión de la época seca y
lluviosa que se generaron para cada Región Climática del país con ayuda de las
gráficas que contienen la evaporación estimada y la precipitación. Tomando
como época seca aquel rango consecutivo de datos en los cuales el valor de la
evaporación se encuentre por encima del valor de la precipitación y como época
lluviosa el grupo de datos consecutivo que presente un valor de evaporación
inferior al de la precipitación para cada región.
Adicionalmente se genera el cuadro 4.6 que muestran las fechas de inicio y
conclusión de la época seca y lluviosa que se generaron para cada Región
Climática del país con ayuda de los gráficos que contienen la precipitación y la
evaporación observada.
Dado que esta investigación fue inicialmente forjada para estudiar la aplicación
del método FAO Penman-Monteith en Costa Rica, se tomaran utilizaran de aquí
en adelante las fechas para el inicio y conclusión de la época seca y lluviosa
establecidas en los cuadros 4.5, mientras que las fechas mostradas en el cuadro
4.6 es generado con el único fin de observar las variaciones para con el cuadro
4.5.
50
Cuadro 4.6 Inicio y conclusión la época seca y lluviosa, según Tanque evaporímetro tipo A.
REGION
EPOCA SECA
UMBRAL
FECHA
EPOCA LLUVIOSA
UMBRAL
FECHA
ZONA
NORTE
inicio: 22mm
final: 21 mm
22-26/3 o
pentada 17 hasta
o 22-26/4 o
pentada 23.
inicio: 21
mm
final: 22 mm
26-30/4 o
pentada 24 hasta
17-21/3 o
pentada 16.
CARIBE
NA
NA
NA
NA
VALLE
CENTRAL
inicio: 19 mm
final: 27 mm
23-27/11 o
pentada 66 hasta
7-11/5 o pentada
26.
inicio: 27
mm
final: 19 mm
12-16/5 o
pentada 27 hasta
18-22/11 o
pentada 65.
inicio: 24 mm
final: 38 mm
3-7/11 o pentada
62 hasta 12-16/5
o pentada 27.
inicio: 38
mm
final: 26 mm
17-21/5 o
pentada 28 hasta
20-25/6 o
pentada 35.
inicio: 26 mm
final: 30 mm
26-30/6 o
pentada 36 hasta
9-13/8 o pentada
45.
inicio: 30
mm
final: 24 mm
15-19/8 o
pentada 46 hasta
28/10-1/11 o
pentada 60.
PACIFICO inicio: 20 mm
CENTRAL final: 24 mm
1-5/1 o pentada
1 hasta 12-16/4 o
pentada 21.
inicio: 24
mm
final: 20 mm
17-21/4 o
pentada 22 hasta
27-31/12 o
pentada 73.
PACIFICO inicio: 19 mm
SUR
final: 26 mm
7-11/12 o
pentada 69 hasta
112-16/4 o
pentada 21.
inicio: 26
mm
final: 19
mm
17-21/4 o
pentada 22
hasta 13-17/12 o
pentada 70.
PACIFICO
NORTE
Con el fin de comparar los resultados obtenidos con las investigaciones previas a
este estudio, se elaboran los cuadros 4.7 y 4.8, que contiene las épocas seca y
lluviosa adicionales que fueron definidas por dos autores mediante el análisis de
pentadas de precipitación con el umbral fijo de 25 mm. El Caso I corresponde a
los resultados del estudio de Alfaro (2002), mientras que el Caso II se extrae de la
publicación IMN (2008).
información.
Donde NA significa que no se dispone la de
51
Cuadro 4.7 Comparación de inicio y conclusión la época seca.
Región /
Época
Seca
EvaporaciónPrecipitación
Precipitación Caso I
Precipitación
Caso II
ZONA
NORTE
26-30/1 o pentada 6
hasta 2-6/5 o
pentada 25.
NA
CARIBE
22-26/3 o pentada 17
hasta 6-10/4 o pentada
20.
NO
NO
13-17/11 o pentada
64 hasta 2-6/05 o
pentada 25.
Diciembre a
abril.
13-17/11 o pentada
64 hasta 7-11/05 o
pentada 26.
Diciembre a
marzo.
13-17/11 o pentada 64
hasta 12-16/5 o
pentada 27.
VALLE
CENTRAL 11-15/7 o pentada 39
hasta 30/7-3/8 o
pentada 43.
28/10-1/11 o pentada
61 hasta 12-16/5 o
PACIFICO pentada 27.
NORTE 26-30/6 o pentada 36
Enero a abril.
hasta 15-19/8 o
pentada 46.
1-5/1 o pentada 1
PACIFICO
hasta 12-16/4 o
CENTRAL
pentada 21.
2-6/12 o pentada 68
PACIFICO
hasta 17-21/4 o
SUR
pentada 22.
18-22/11 o pentada
65 y/o 23-27/12 o
pentada 72 hasta 26/05 o pentada 25.
18-22/11 o pentada
65 y/o 23-27/12 o
pentada 72 hasta 26/05 o pentada 25.
Enero a marzo.
Enero a marzo.
Como se aprecia en los cuadros 4.7, 4.8 y 4.9 las fechas definidas por parte del
IMN (2008) no presentan la misma resolución del estudio actual, ya que el IMN
menciona meses mas no días exactos para el inicio y conclusión de las épocas
seca y lluviosa. Alfaro (2002) en cambio presenta fechas y sus respectivas
pentadas para ambas épocas de todas las Regiones Climáticas del país, excepto
para la Región Zona Norte para la cual no se pudo extraer las fechas. Lo anterior
52
se debe a que esta región no es representada por ninguno de los dos patrones
dominantes anuales de precipitación obtenidos con la metodología utilizada por
el autor, Funciones Ortogonales Empíricas.
Cuadro 4.8 Comparación de inicio y conclusión la época lluviosa.
Región /
Época
lluviosa
EvaporaciónPrecipitación
Precipitación Caso I
ZONA
NORTE
7-11/5 o pentada 26
hasta 21-25/1 o
pentada 5.
NA
CARIBE
12-16/4 o pentada
21 hasta 17-21/3 o
pentada 16.
17-21/5 o pentada
28 hasta 6-10/7 o
pentada 38.
VALLE
CENTRAL 4-8/8 o pentada 44
hasta 8-12/11 o
pentada 63.
17-21/5 o pentada
28 hasta 20-25/6 o
PACÍFICO pentada 35.
NORTE 20-24/8 o pentada
47 hasta 24-28/11 o
pentada 60.
Mayo a diciembre o
enero.
2-6/01 o pentada 2
Abril a agosto o
hasta 4-8/10 o pentada septiembre y de
56.
noviembre a febrero.
7-11/05 o pentada 26
hasta 8-12/11 o
pentada 63.
Marzo a agosto y de
septiembre a
noviembre.
11-15/05 o pentada 27
Mayo a agosto y de
y/o 22-26/05 o
septiembre a
pentada 29 hasta 8noviembre.
12/11 o pentada 63.
7-11/05 o pentada 26
hasta 13-17/11 o
pentada 64 y/o 1822/12 o pentada 71.
7-11/05 o pentada 26
22-26/4 o pentada
PACÍFICO
hasta 13-17/11 o
23 hasta 27/11-1/12
SUR
pentada 64 y/o 18o pentada 67.
22/12 o pentada 71.
17-21/4 o pentada
PACÍFICO
22 hasta 27-31/12 o
CENTRAL
pentada 73.
Precipitación Caso
II
Mayo a agosto y de
septiembre a
noviembre.
Mayo a agosto y de
septiembre a
noviembre.
Comparando los resultados obtenidos en el cuadro 4.7 respecto al inicio y
conclusión de la época seca, vemos que para la Zona Norte el inicio de la época
53
seca tanto para el IMN (2008) como el obtenido aquí es el mismo, mientras que
finaliza 6 días después con respecto al IMN. En el Valle Central y Pacifico Norte
la metodología presenta dos intervalos secos, donde el primero calza con lo
descrito por Alfaro (2002) y el segundo concuerda con el veranillo. Para Pacífico
Central la investigación muestra una época seca que concuerda con lo descrito
por IMN (2008). En el Pacífico Sur las fechas propuestas difieren un mes tanto en
su inicio como en su conclusión con respecto a Alfaro (2002).
Comparando la tabla 4.6 con los periodos de inicio y conclusión de la época
lluviosa se encuentran desplazamientos en las fechas definidas mediante el uso de
evaporación, desarrollada en esta investigación, y las definidas con análisis de
precipitación definidos por Alfaro (2002) y IMN (2008).
Al comparar con los resultados obtenidos por Alfaro (2002), IMN (2008) y la
metodología aquí estudiada. Vemos que la época lluviosa en la Región Zona
Norte concuerda perfectamente con la definida por IMN. El Caribe según el IMN
posee dos periodos lluviosos pero el análisis aquí realizado muestra una época
lluviosa que abarca prácticamente todo el año a excepción de un mes. Valle
Central y Pacifico Norte presentan dos periodos lluviosos que concuerdan con lo
descrito por IMN a excepción de un desfase de un mes en la transición. En la
región Central del Pacífico se desfasa un mes en el inicio y concuerdan las fechas
de finalización de la época lluviosa respecto a Alfaro. En el Pacífico Sur se
adelanta el inicio un mes respecto a estos a ambos autores y las fechas de
conclusión de la época lluviosa concuerdan en los tres métodos.
Debe recordarse que las fechas aquí definidas para el Caso I, específicamente de
la Región Caribe, son producto del régimen de precipitación anual obtenido por
Alfaro (2002) que explica únicamente el 8% de la varianza.
El cuadro 4.9 surge del análisis de la figura 4.9 más las mostradas en Anexo 2
figuras de la A2.29-A2.34-A2.39-A2.44-A2.49, Esta tabla resume la ocurrencia
del veranillo presentado o no (NA) en las seis estaciones estudiadas.
54
Cuadro 4.9 Inicio y conclusión del Veranillo, según método FAO Penman-Monteith.
REGION
ZONA NORTE
CARIBE
VALLE CENTRAL
PACIFICO NORTE
PACIFICO CENTRAL
PACIFICO SUR
UMBRAL
NA
NA
inicio: 34 mm
final: 35 mm
inicio: 33 mm
final: 35 mm
NA
NA
VERANILLO
FECHA
NA
NA
11-15/7 o pentada 39 hasta
30/7-3/8 o pentada 43.
26-30/6 o pentada 36 hasta
15-19/8 o pentada 46.
NA
NA
Adicionalmente se genera el cuadro 4.10 con el fin de observar las variaciones
entre los resultados obtenidos con la estimación y la observación de la
evaporación.
Cuadro 4.10 Inicio y conclusión del Veranillo, según Tanque evaporímetro tipo A.
REGION
ZONA NORTE
CARIBE
VALLE CENTRAL
PACIFICO NORTE
PACIFICO CENTRAL
PACIFICO SUR
UMBRAL
NA
NA
NA
inicio: 26 mm
final: 30 mm
NA
NA
VERANILLO
FECHA
NA
NA
NA
26-30/6 o pentada 36 hasta
9-13/8 o pentada 45.
NA
NA
Con ayuda del cuadro 4.9 y la información contenida en Alfaro et al. (2002) e
IMN (2008) se genera una comparación similar a la contenida en el cuadro 4.8
pero esta vez para el caso de veranillo. Donde la simbología NA significa que no
se encontró veranillo para esa región.
55
Cuadro 4.11 Comparación de inicio y conclusión del veranillo.
Región /
Veranillo
Evaporación
Precipitación Caso I
Precipitación Caso II
ZONA
NORTE
NA
NA
NA
CARIBE
NA
NA
NA
VALLE
CENTRAL
11-15/7 o pentada
39 hasta 30/7-3/8 o
pentada 43.
21-25/07 o pentada
41.
Oriental: junio a julio.
Occidental: junio a
agosto
PACÍFICO
NORTE
26-30/6 o pentada
36 hasta 15-19/8 o
pentada 46.
NA
Julio a agosto.
PACÍFICO
CENTRAL
NA
PACÍFICO
SUR
NA
20-24/08 o pentada
47.
21-25/07 o pentada
41.
NA
Julio a agosto.
Para el caso de la ocurrencia del veranillo a nivel nacional se comparan una vez
más las fechas definidas por IMN (2008) con las obtenidas en la aplicación del
modelo FAO Penman-Monteith. El IMN indica la no ocurrencia del veranillo en
las regiones Zona Norte, Caribe y Pacífico Central al igual que lo encontrado en
el estudio. El método muestra una canícula entre junio y agosto para el Pacífico
Norte que se encuentra desfasado unos días en su inicio pero concluye al igual
que IMN.
La investigación arroja para el Valle Central un veranillo que en su inicio
coincide con lo descrito por Alfaro (2002), y su conclusión coincide con lo
mencionado en IMN (2208). Para el Pacífico Norte y Sur este estudio no
visualizo veranillo, mas no así los autores mencionados.
El cuadro 4.12 muestra los incrementos de la evaporación observados en la figura
4.6 y las incluidas en el Anexo 2 figuras A2.26- A2.31- A2.36- A2.41- A2.46.
56
Cuyo punto de acenso varía entre 22 y 33 mm según sea la estación. Esta tabla
nos muestra el comportamiento que tiene la evaporación durante los meses
definidos para la ocurrencia del veranillo. Donde la simbología NA significa que
no se encontró ningún incremento significativo para esa región.
Cuadro 4.12 Período de incremento de la evaporación durante la época lluviosa.
Región
ZONA NORTE
CARIBE
Fechas
16-20/07 o pentada 40 hasta 24-28/11 o
pentada 60.
NA
VALLE CENTRAL
26-30/06 o pentada 36 hasta 16-20/09 o
pentada 52.
PACÍFICO NORTE
11-15/06 o pentada 33 hasta 16-20/09 o
pentada 52.
PACÍFICO
CENTRAL
6-11/07 o pentada 38 hasta 19-23/09 o
pentada 53.
PACÍFICO SUR
26-30/06 o pentada 36 hasta 24-28/09 o
pentada 54.
Mientras todas las demás regiones muestran un aumento de la evaporación
durante los meses típicos del veranillo, la Región Caribe presenta una
disminución durante el 1-5/07 o pentada 37. Este comportamiento opuesto fue
evidenciado por Alfaro (2002) al analizar pentadas de precipitación, quien
considera que esto podría deberse a los siguientes dos factores: la influencia del
jet de bajo nivel y la interacción del viento con la topografía de bajo nivel. El
autor explica que la combinación de estos dos factores provoca que el Caribe
presente un contenido de humedad superior al que presenta el Pacífico en estos
meses del año.
En el cuadro anterior claramente se aprecia un aumento de la evaporación durante
los meses en que comúnmente ocurre el veranillo, excepto en el Caribe, y dicho
incremento se encuentra acompañado de una disminución de las precipitaciones
en todas las estaciones a excepción de la Zona Norte.
57
Las fechas definidas por el IMN (2008) y Alfaro (2002) varían con respecto a la
investigación principalmente por dos razones. Retomando la tabla 4.5 vemos que
los umbrales son específicos para cada Región Climática del país, mientras que el
IMN y Alfaro utilizaran la metodología descrita en Alfaro et al. (1998) donde se
emplea un único umbral de 25mm para todo el país. Tal como se explica en la
sección 2.3 el presente estudio analiza la razón entre las pentadas de evaporación
y precipitación a partir de valores diarios de estas, mientras que los
investigadores citados definen las fechas de inicio y conclusión de la época seca y
lluviosa basados en series de precipitación.
Muñoz et al. (2002) al analizar la velocidad del viento a nivel mensual comenta
dos aumentos de éste para la Zona Norte, uno entre febrero y marzo así como en
julio y agosto, donde la estación de Santa Clara presenta su máximo durante el
mes de septiembre. En el Pacífico Central, la estación de Damas muestra una
velocidad constante con su valor extremo en el mes de octubre. Para el Valle
Central la estación Fabio Baudrit y en el Pacífico Norte la estación de Liberia
muestran un máximo en el mes de febrero debido al refuerzo del viento alisio y
un segundo aumento durante julio. El Pacífico Sur mediante la estación Pindeco
muestra un máximo en febrero. La Región Caribe muestra una distribución del
viento muy constante durante todo el año. Adicionalmente concluye que al
descender la velocidad del viento alisio, la brisa de mar y con ella el transporte de
humedad.
Este análisis del viento realizado por Muñoz et al. (2002) explica la ocurrencia
del veranillo en las regiones Zona Norte, Valle Central, Pacífico Norte y Central.
Mientras esta investigación no evidencia veranillo para la Zona Norte, pero si
para el Valle Central y Pacifico Norte. El Pacífico Sur no presenta ningún
aumento del viento en el periodo del veranillo según los autores, lo cual
concuerda con la no ocurrencia del veranillo para esta región según el estudio
actual, lo cual podría deberse al retiro temporal hacia el sur de la ZCIT (Zona de
Convergencia Inter Tropical). Para el Caribe la velocidad del viento es muy
58
constante durante todo el año y eso justifica la no ocurrencia del veranillo en esta
región.
El cuadro 4.13 resume los porcentajes de error máximo y mínimo para cada
estación analizada que se aprecian en la figura 4.8 y las presentadas en el Anexo
2 figuras A2.28- A2.33- A2.38- A2.43- A2.48, también se incluyen aquellos
meses en los cuales se presentaron dichos valores extremos. Se obtienen estos
valores al calcular el porcentaje de error entre cada una de las pentadas
observadas (Tanque evaporímetro tipo A) y las estimadas (Método FAO PenmanMonteith). Se extraen los valores extremos de dichos porcentajes para evidenciar
en que periodo del año se comporta mejor el método utilizado.
Cuadro 4.13 Valores extremos de los porcentajes de error.
Estación
Mes del
Máximo
% Error
Máximo
Mes del
Mínimo
% Error
Mínimo
69579 - Santa Clara
Agosto
83
Enero y
febrero
59
71002 - Mola
74020 - Llano
Grande
84023 - Fabio
Baudrit
Noviembre
150
Enero
80
33
Marzo
1
90
32
90009 - Damas
Julio
15
Febrero
Febrero y
marzo
98027 - Pindeco
Diciembre
y enero
85
Marzo
53
Octubre
Octubre
2
El cuadro anterior arroja información que concuerda con las validaciones de los
datos mensuales, ya que los menores porcentajes de error se obtienen en las
estaciones de Damas y Llano Grande, lo que implica que el modelo se ajustó
mejor en estas regiones. También sobre salen los porcentajes de error obtenidos
para la Mola donde incluso se supera el 100%, lo cual es absurdamente
inaceptable. Las estaciones de Santa Clara y Pindeco muestran porcentajes que
superan el 50%, esto indica que el modelo no se ajustó como se esperaba y
59
concuerda con la sobre estimación del método utilizado sobre los valores
observados.
Debe recordarse que para las estaciones de Santa Clara, Mola, Llano Grande y
Damas no se utilizan registros de radiación debido a la ausencia de estos para los
años seleccionados, y por tanto deben calcularse con la metodología descrita por
Allen et al. (1998). Es decir, solo para las estaciones de Fabio Baudrit y Pindeco
utilizan registros diarios reales de radiación, pero todas las regiones estudiadas
poseen registros diarios reales de humedad relativa. Además, Hidalgo et al.
(2005) menciona que las anomalías diarias de evapotranspiración potencial están
más fuertemente correlacionadas con las anomalías de radiación neta, humedad
relativa y cobertura nubosa que con la temperatura promedio diaria. Entonces
sobreponiendo la información contenida en el cuadro 3.2, respecto a los
porcentajes de datos faltantes para cada variable y su respectiva estación, y el
anterior cuadro 4.7 vemos que a pesar de que Llano Grande y Damas no poseen
registros de la variable climática que pesa más en la evaporación, si presentan un
buen ajuste entre la serie de evaporación estimada y calculada. Lo cual indica que
la metodología utilizada para reconstruir los registros de evaporación se comporta
aceptablemente bien en la región Pacífico Norte y Pacífico Sur.
60
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El presente estudio analiza las fluctuaciones de la evaporación y precipitación
diaria en las diversas Regiones Climáticas de Costa Rica utilizando el método
FAO Penman-Monteith para el cálculo de las series de evaporación. Dichas series
se validan con los datos obtenidos en el Tanque de evaporación tipo A. Se
definen umbrales pentadales de evaporación para cada estación meteorológica. Al
analizar las pentadas graficas que contienen las series de evaporación y
precipitación se obtienen los umbrales para las épocas seca y lluviosa de cada
región climática, variando según ubicación geográfica.
El método utilizado para reconstruir los registros de evaporación es robusto
estadísticamente y por lo tanto su aplicación se torna difícil en aquellos casos en
los que se carece de las series de tiempo que este modelo requiere para su
cálculo. Dicha metodología recomienda utilizar un valor constante de 2 m/s para
aquellas estaciones que carecen de dicho registro, y este un valor muy bajo para
ciertas épocas del año y ciertas regiones como el Pacífico Norte. Esta constante
es una
posible fuente de error en los cálculos de la evaporación, y como
consecuencia se podría ocasionar un inicio muy tardío de la temporada seca o un
inicio más temprano de la época lluviosa. La aplicación de este modelo en Costa
Rica requiere aún más calibración, ya que como pudo verse algunas regiones
como el Caribe presentan porcentajes de error fuera de lo aceptable.
61
En dos de las seis estaciones estudiadas se observa un periodo canicular durante
los meses de junio a agosto, según sea la estación, que implica un periodo seco
acompañado de un aumento de la evaporación durante el periodo definido como
época lluviosa. El Pacífico Norte y el Valle Central muestran claramente el
clásico veranillo asociado a un leve aumento de la evaporación y una
disminución de la precipitación durante la época definida en la literatura como
lluviosa, caracterizado por la aceleración de la velocidad del viento. La Zona
Norte y Caribe muestran más bien una disminución de los valores pentadales de
la evaporación, que se relaciona con el aumento de la nubosidad que es generada
por los vientos alisios. Para estas dos últimas regiones se aprecia una segunda
disminución de dicho parámetros para los últimos y primeros meses del año, que
se asocia al aumento del viento alisio y la disminución de la humedad relativa
propia de la época.
Comparando los periodos definidos por el IMN (2008) y Alfaro (2002) como
seco y lluvioso además del veranillo, mediante la utilización de pentadas de
precipitación, con los que surgen tras esta investigación. Se evidencia que estos
no encajan perfectamente, pero si mantienen un comportamiento similar variando
las fechas de inicio y finalización de cada periodo en algunos casos. A pesar de
este hecho, estudios de este tipo nos ayuda a caracterizar el comportamiento
anual y regional de la evaporación en nuestro país, lo que nos lleva a conocer
mejor la dinámica atmosférica que gobierna la troposfera nacional.
Las diferencias observadas entre el modelo desarrollado, lo definido por el IMN
(2008) y los resultados de Alfaro (2002), se debe a dos factores: en esta
investigación se utilizan umbrales específicos para cada Región Climática del
país mientras que el IMN y Alfaro utilizaran la metodología descrita en Alfaro et
al. (1998) donde se emplea un único umbral de 25mm para todo el país. Otro
factor a considerar en dicha variación de fechas se debe a que el presente estudio
analiza la razón entre las pentadas de evaporación y precipitación mientras que
los investigadores citados definen las fechas de inicio y conclusión de la época
seca y lluviosa basados únicamente en series de precipitación.
62
El modelo se ajustó de manera aceptable en las regiones del Pacífico Norte y
Central. Mientras que requiere un mejor ajuste para las regiones del Valle
Central, Zona Norte, Pacífico Sur y Caribe.
Al calcular los valores promedio de la evaporación regional se evidencia que
dichos valores varían entre la estimación del método FAO Penman-Monteith y
las observaciones del Tanque evaporímetro tipo A. Esto se evidencia también en
el análisis de la razón entre evaporación y precipitación, y puede deberse a la
sobreestimación del modelo sobre el valor real de la evaporación provoca que la
curva pentadal calculada con el método FAO Penman-Monteith tenga valores
más altos que el definido con el Tanque evaporímetro tipo A. Lo cual provoca
que la curva de evaporación se posicione en valores más altos, desplazando el
umbral y con este varían también las fechas de inicio y conclusión de la época
seca y lluviosa.
Durante la recopilación de los datos se evidencio un aumento en la desinstalación
del instrumental utilizado para el registro de la evaporación en Costa Rica, el
denominado Tanque evaporímetro tipo A. Se sabe que actualmente es
complicado encontrar personas dedicadas a llevar registros fiables de dicho
instrumental, aun así se recomienda hacer el esfuerzo por reactivar los sensores
que actualmente se encuentran en desuso debido a este y otros factores. Ya que
debido a esta falta de instrumental meteorológico, los investigadores se quedan
con la única opción de reproducir los valores de evaporación mediante alguna
ecuación que se ajuste a nuestras condiciones climáticas.
El IMN debería reformular las cotas utilizadas en el control de calidad inicial de
las variables climáticas porque debido a este filtro podríamos estar perdiendo
Variabilidad Climática e incluso dejar de percibir el Cambio Climático.
63
ANEXO 1
TABLAS
Cuadro A1.1 Valores extremos mensuales de la evaporación acumulada mensual estimada.
ESTACION
69579 - Santa Clara
71002 - Mola
74020 - Llano Grande
84023 - Fabio Baudrit
90009 - Damas
98027 - Pindeco
Mes_max
3
3
4
3
3
Maximo
225
210
300
355
188
Mes_min
11
11
10
9
11
Minimo
140
160
190
215
113
3
279
11
110
64
ANEXO 2
GRAFICOS PARA LAS ESTACIONES SELECCIONADAS
Figura A2.1. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul)
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 69579 - Santa
Clara, ITCR.
Figura A2.2. Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la evaporación calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso
de la estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
65
Figura A2.3. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul)
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 71002 - La
Mola.
Figura A2.4. Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la evaporación calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso
de la estación 71002 – La Mola.
Figura A2.5. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul)
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 74020 –
Llano Grande.
66
Figura A2.6. Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la evaporación calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso
de la estación 74020 – Llano Grande, Liberia.
Figura A2.7. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul)
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 84023 –
Estación Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.8. Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la evaporación calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso
de la estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
67
Figura A2.9. Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro tipo A (azul)
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith (verde), caso de la estación 90009 –
Damas.
Figura A2.10. Diferencias diarias (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) entre la evaporación registrada en el Tanque
evaporímetro tipo A y la evaporación calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso
de la estación 90009 – Damas.
Figura A2.11. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 69579 - Santa
Clara, ITCR.
68
Figura A2.12. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 71002 - La
Mola.
Figura A2.13. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 74020 – Llano
Grande.
Figura A2.14. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 84023 –
Estación Experimental Fabio Baudrit.
69
Figura A2.15. Ajuste de la Evaporación diaria (𝑚𝑚 /𝑑𝑖𝑎) registrada por el Tanque evaporímetro
tipo A y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 98027 –
Pindeco.
Figura A2.16. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 69579 – Santa Clara,
ITCR.
Figura A2.17. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 71002 – La Mola.
70
Figura A2.18. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 84023 – Estación
Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.19. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 90009 – Damas.
Figura A2.20. Promedio de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A
y calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 98027 – Pindeco.
71
Figura A2.21. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 69579 – Santa Clara,
ITCR.
Figura A2.22. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 71002 - La Mola.
Figura A2.23. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 74020 – Llano Grande.
72
Figura A2.24. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 90009 – Damas.
Figura A2.25. Ajuste de la evaporación mensual registrada por el Tanque evaporímetro tipo A y
calculada mediante el método FAO Penman-Monteith, caso de la estación 98027 – Pindeco.
Figura A2.26. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
73
Figura A2.27. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de
la estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
Figura A2.28. Porcentaje de error para las pentadas diarias de evaporación diaria, caso de la
estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
Figura A2.29. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método
FAO Penman-Monteith, caso de la estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
74
Figura A2.30. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque
Tipo - A, caso de la estación 69579 – Santa Clara, ITCR.
Figura A2.31. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 71002 – La Mola.
Figura A2.32. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de
la estación 71002 – La Mola.
75
Figura A2.33. Porcentaje de error para las pentadas diarias de evaporación diaria, caso de la
estación 71002 – La Mola.
Figura A2.34. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método
FAO Penman-Monteith, caso de la estación 71002 – La Mola.
Figura A2.35. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque
Tipo - A, caso de la estación 71002 – La Mola.
76
Figura A2.36. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.37. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de
la estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.38. Porcentaje de error para las pentadas diarias de evaporación diaria, caso de la
estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
77
Figura A2.39. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método
FAO Penman-Monteith, caso de la estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.40. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque
Tipo - A, caso de la estación 84023 – Estación Experimental Fabio Baudrit.
Figura A2.41. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 90009 - Damas.
78
Figura A2.42. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de
la estación 90009 - Damas.
Figura A2.43. Porcentaje de error para las pentadas diarias de evaporación diaria, caso de la
estación 90009 - Damas.
Figura A2.44. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método
FAO Penman-Monteith, caso de la estación 90009 - Damas.
79
Figura A2.45. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque
Tipo - A, caso de la estación 90009 - Damas.
Figura A2.46. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el método FAO PenmanMonteith, caso de la estación 98027 - Pindeco.
Figura A2.47. Pentadas promedio de evaporación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque Tipo - A, caso de
la estación 98027 - Pindeco.
80
Figura A2.48. Porcentaje de error para las pentadas diarias de evaporación diaria, caso de la
estación 98027 - Pindeco.
Figura A2.49. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el método
FAO Penman-Monteith, caso de la estación 98027 - Pindeco.
Figura A2.50. Pentadas promedio de evaporación y precipitación diaria (𝑚𝑚 ) para el Tanque
Tipo - A, caso de la estación 98027 – Pindeco.
81
ANEXO 3
MEDICIONES E INSTRUMENTAL
3.1
Instrumental para el cálculo de la evaporación
3.1.1 Heliógrafo
Este instrumento registra la duración de la insolación a nivel diario, en unidades
de horas (h). Su funcionamiento se basa en una esfera de vidrio de 10cm de
diámetro montada concéntricamente sobre un soporte en forma de arco, que
imprime en registro del sol sobre una banda denominada heliograma. Existen tres
tipos de bandas según la estación del año: verano, invierno y otoño-primavera.
Figura A3.1 Heliógrafo y heliogramas
82
3.1.2 Termómetro de máxima y mínima
Estos instrumentos registran respectivamente la temperatura máxima y
temperatura mínima del aire a nivel diario, en unidades de grados Celsius (°C).
Ambos son muy similares con la diferencia de que el sensor de temperatura
máxima contiene mercurio líquido, el cual se dilata al aumentar la temperatura.
Mientras que el sensor de temperatura mínima contiene alcohol, el cual avanzara
en el capilar al aumentar la temperatura. Estos dos sensores contienen un índice
ya sea de metal o porcelana, que se desplaza de n lado a otro y es quien nos
indica la temperatura registrada. Deben estar siempre en posición horizontal y el
reposo mientras genera el registro.
Figura A3.2 Termómetros de máxima y mínima
3.1.3 Higrógrafo e Higrotermógrafo.
Este instrumento registra la humedad relativa del aire a nivel horario, en unidades
de porcentaje (%). Su funcionamiento se basa en la propiedad que tiene el cabello
humanos desengrasados de variar su longitud según sea el valor de la humedad
relativa, estos se alargan al aumentar la humedad relativa y viceversa. La pluma
registra continuamente sobre la banda las variaciones.
83
Figura A3.3 Higrógrafo
A diferencia del higrógrafo, este registra tanto el valor de la humedad relativa
como la temperatura de la atmosfera. Su registro es horario y sus unidades siguen
siendo las mismas que en los sensores individuales. Usa la misma técnica que el
Higrómetro para el registro de la humedad relativa. Mientras que el
funcionamiento del registro de la temperatura se basa en alcohol etílico confinado
en una capsula metálica, que funciona igual que el sensor de temperatura mínima
mencionado anteriormente. Cada pluma registra respectivamente la información
meteorológica que es documentada en la banda común.
Figura A3.4 Higrotermógrafo
3.1.4 Microbarógrafo
Este instrumento registra en una escala ampliada las variaciones de la presión
atmosférica a nivel horario, en unidades de hPa. Su funcionamiento está basado
en el principio de que las variaciones de la presión actuando sobre las paredes de
84
una caja, de forma cilíndrica con poca altura pero gran diámetro que es cerrada
herméticamente al vacío y contiene un resorte de cara a cara, tratara de juntar las
dos caras circulares. También se les llama ‘barógrafo de escala ampliada’, debido
a que la pluma registra en la banda un desplazamiento vertical de 2.5 veces el
cambio de la presión.
Figura A3.5 Microbarógrafo
3.1.15 Actinógrafo
Este instrumento mide la radiación solar global o difusa a nivel diario, en
unidades de cal*cm²*mm. Su funcionamiento se basa en la diferencia de
temperatura registrada entre tres láminas bimetálicas, las externas son de color
blanco y la central negra. La pluma registra estas variaciones en la banda de
papel. La cúpula semiesférica se orienta hacia arriba para recibir la radiación en
un ángulo sólido de 180° y las láminas deben quedar en dirección Este-Oeste.
Figura A3.6 Actinógrafo
85
3.1.6
Anemógrafo
Este instrumento registra la velocidad y dirección del viento a nivel horario, en
unidades de km/h y grados (°) respectivamente. Su funcionamiento consiste en
dos rodillos que van imprimen sobre el rollo de papel parafinado la información
que van generando tanto la veleta como el anemómetro.
Figura A3.7 Anemógrafo de cazoletas
3.1.7 Tanque de Evaporación, tipo A
Este instrumento mide la evaporación a nivel diario, en unidades de mm/día, con
forma cilíndrica y está construido con hierro galvanizado. Según la SMNArgentina (1990) el funcionamiento se basa en llenar el tanque de agua hasta una
altura de 2.5cm y calcular la evaporación según esa altura base. Si no llueve y la
altura del agua contenida dentro del tanque es menor a 2.5 cm, entonces la
evaporación equivale a esa diferencia. Si llueve aún hay evaporación y si el nivel
del agua contenida dentro del tanque es mayor a 2.5cm, entonces debemos al
registro de lluvia generado por el pluviómetro se le debe restar la altura base de
2.5cm y el restante corresponde a la evaporación.
El nivel de agua en el tanque puede realizarse utilizando el medidor de gancho
también llamada ‘tornillo milimétrico’ que se encuentra dentro del pozo
tranquilizador, luego de cada medición debe llenarse el tanque hasta la altura
base. Se debe colocar sobre una base de madera para permitir que el aire circule
libremente debajo del tanque y el lugar de instalación debe estar cubierto por
pasto.
86
Figura A3.8 Tanque evaporímetro tipo A y su respectivo tornillo micrométrico
No se recomienda utilizar mallas sobre los tanques, pero si debe existir malla de
seguridad para evitar el acceso de animales. Se debe remplazar el agua contenida
en el tanque semanalmente para eliminar turbidez. Al ser el tanque galvanizado
debe aplicársele anualmente pintura de aluminio.
La mala manipulación del Tanque evaporímetro tipo A puede afectar las
mediciones en porcentajes establecidos. El registro de la evaporación se puede
dar un aumento del 10% al tener tanque pintados internamente en color negro,
pueden darse errores de hasta un 15% en la mediciones de la evaporación al
irrespetar el límite de la altura base, la evaporación registra reducciones de hasta
un 10% en tanque con mallas protectoras ubicadas sobre él.
3.2 Definición de parámetros meteorológicos
El método denominado FAO Penman-Monteith utilizado en este estudio para el
cálculo de la evapotranspiración utiliza los parámetros definidos a continuación.
3.2.1 Radiación solar
El Sol provee a nuestro planeta de una de las más importantes fuentes de energía,
esta se define como radiación solar. Su intensidad fluctúa según la época del año
87
y posición geográfica. La cantidad de nubosidad que absorbe y refleja radiación,
así como la turbidez de la atmosfera influyen en la radiación solar real que
evapora el recurso hídrico del planeta Tierra. Es además, uno de los dos
principales factores de evaporación del agua.
3.2.2 Temperatura del aire
La temperatura del aire se debe básicamente a dos factores, la radiación solar
absorbida por la atmosfera terrestre que proviene del Sol y la radiación solar
reflejada por las diversas superficies que cubren el planeta Tierra.
3.2.3. Humedad Relativa del aire
Surge de multiplicar por cien la razón entre la presión de vapor real y la presión
de vapor de saturación del agua contenida en el aire a una presión y temperatura
dada.
3.2.4. Velocidad de viento a 2m
Es producto de los gradientes de presión atmosférica y es el responsable de
dispersar el vapor producido durante la evaporación, es por tanto otro factor
principal de evaporación del recurso hídrico.
3.2.5. Heliografía
Es el período de tiempo durante el cual se recibe radiación solar directa.
3.2.6. Presión atmosférica
Es la fuerza por unidad de área ejercida sobre la superficie por el peso de una
columna de aire con la atmosfera como altura limite.
88
3.2.7 Definición de evaporación
Consiste en el proceso físico mediante el cual el recurso hídrico se transforma
gradualmente en vapor de agua al vencer la tensión superficial y así restablecer la
humedad de la atmosfera perdida mediante la precipitación.
3.2.8 Definición de evapotranspiración
La evaporación del agua que la superficie terrestre contiene, como producto de la
radiación solar, y la transpiración del agua contenida en las plantas, la cual
proviene de la absorción de las mismas desde la tierra.
3.2.9. Definición de Veranillo o Canícula.
El Veranillo es una interrupción de las lluvias en plena época lluviosa, que tiene
condiciones que son características de la época seca como son: viento dominante
del Este y Noreste durante todo el día,
con velocidades de las mismas
magnitudes que las del principio de la época seca, descenso de la humedad
relativa y mayores secuencias de días sin lluvia. Ramírez (1983).
89
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