CHAPTER SIX: RESEARCH METHODOLOGY AND METHODS
6.5 The Conceptual Model of the Research
Los sistemas de modelado y alerta hidrológicos requieren el empleo de tecnología de monitoreo de precipitación que tenga una alta resolución espacial y temporal. El radar meteorológico es la herramienta que brinda la información más adecuada para estos fines.
El radar (RAdio Detection And Ranging) es un sistema electromagnético para la detección y localización de objetos (Pardo y Martínez, 2010). El principio de operación de un radar es relativamente simple: un transmisor emite un pulso de energía electromagnética, el cual se propaga a partir de una antena móvil. Esa señal viaja a la velocidad de la luz y, al encontrar un objeto es parcialmente reflejado retornando a través de la misma antena y encaminado por un conmutador automático para un receptor (Figura 18).
Figura 18: Esquema de funcionamiento del radar – Fuente: Pardo y Martínez (2010) Las medidas de precipitación con radar se basan en la cantidad de energía que retorna al mismo reflejada por la lluvia, por los cristales de hielo o granizo, sobre los cuales incidió la radiación emitida a través de la antena. Los radares transmiten periódicamente un pulso de radiación electromagnética de microonda con duración de unos pocos microsegundos, un pico de energía de centenares de kW y frecuencia en la banda de los gigahertz. Cuando el pulso de energía choca con un blanco, una parte de la energía incidente es reflejada de vuelta siendo recibida por la antena, donde es detectada y de inmediato enviada a procesamiento. El intervalo de tiempo transcurrido entre la transmisión y la recepción de la parte reflejada, determina la distancia entre el radar y el blanco.
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Los radares muestran una región en el espacio. En la operación usual, la antena
gira 360
°para cada elevación. La elevación de la antena es modificada y se repite
el procedimiento. De esa forma, para cada altura de antena es hecha una lectura
en una envoltura cónica (Figura 19), que sumadas dan toda la cobertura del radar.
Figura 19: Barrido del radar – Fuente: Pardo y Martínez (2010)
Los radares pueden ser clasificados en función de las características de las ondas emitidas (Tabla 2)
Tabla 2: Relación entre longitud de onda, banda y frecuencia – Fuente: Pardo y Martínez 2010
Longitud de onda
(cm) Banda Frecuencia (MHz) Aplicación
0,8 – 2,7 K 30.000 Física de las nubes
2,8 – 3,8 X 10.000 Aeronaves
3,9 – 6,2 C 6.000 Meteorología
6,2 – 19,3 S 3.000 Meteorología
19,4 – 76,9 L 1.500 Control de tráfico
En el caso estudiado, el radar meteorológico RMA1, opera con una banda C. 2.4.1: Conceptos básicos sobre estimación de la precipitación
Para la lluvia la interacción de la onda electromagnética emitida por el radar con gotas de agua esféricas, se establece la proporcionalidad:
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σ α D6 (1)
donde D es el diámetro de las gotas de lluvia en mm y σ representa la sección transversal del rayo reflejado que retorna al radar.
Esta proporcionalidad deja de cumplirse para longitudes de onda menores de 3 cm y diámetros de gotas mayores de 2,1 mm. La mayoría de los radares empleados en meteorología tienen longitud de ondas superior a 5 cm.
Para radares que trabajan con longitudes de ondas mayores, menor será σ y por tanto menos sensible será el radar. Por otro lado, los radares con longitudes de ondas pequeñas son más sensibles y detectan mayor cantidad de información, por lo que pueden tener la energía emitida atenuada y ello causa distorsiones en las medidas. Una ecuación importante en el radar es:
Pr CR1 Ptl2 σ (2)
Donde
Pr: potencia recibida por el radar
CR1: constante relacionada a parámetros específicos del radar Pt: potencia emitida:
σ : sección transversal de la imagen reflejada que retorna al radar l: distancia entre el radar y el blanco
La sección transversal de la imagen reflejada que retorna al radar realmente corresponde al valor medio de las imágenes reflejadas por varios blancos que fueron detectados por el radar, siendo correcto rescribir la ecuación y resultando:
Pr
̅̅̅ CR1 Ptl2 ∑ (3)
El factor de reflexión del radar Z se determina por Z ∑JDj6 se mide en mm6/m3 o en decibel (dBZ).
Resultando que la relación entre la potencia recibida y el factor de reflexión es: P
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Siendo Pr̅̅̅ la potencia recibida media desde todos los blancos. Cuando Z es calculado a partir de la potencia recibida media recibe el nombre de factor equivalente de reflectividad del radar Ze.De las Ecs. 1 y 3, y la proporcionalidad entre σ y el D6
radica la utilidad que puede tener un disdrómetro al ser el aparato que permite el conocimiento de los tamaños de las gotas. 2.4.2: La ecuación fundamental del radar
El objetivo final de una calibración es el conocimiento de la precipitación a partir de los datos medidos por el radar. Por lo tanto, se hace necesario convertir el factor de reflectividad Z, obtenido por el radar, en intensidad de lluvia R.
Es importante resaltar que Z y R son enormemente diferentes a pesar de estar relacionadas con el mismo fenómeno físico. El factor de reflectividad Z corresponde a la cantidad y tamaño de las gotas de agua presentes en el volumen iluminado por el radar y R representa la lluvia que cae sobre un área puntual situada, generalmente, a 1,5 m por encima del terreno.
El factor de reflectividad Z también puede ser expresado como:
Z ∑ (5)
Que en el límite vale:
Z ∫DminDma N(D)D6 dD (6)
En el cual:
Nj: Número de gotas de diámetro Dj
La intensidad de lluvia R puede ser expresada como el flujo descendente de agua por unidad de área: R 6 ∫ N(D)D 3 Vt D dD Dma Dmin (7) Siendo: Volumen de la esfera = D3/6
Vt: velocidad terminal de caída de la gota de agua de diámetro Dj; que puede ser expresada por Vt = KDc, siendo K y c dos constantes.
Comparando las dos ecuaciones, se tiene la relación clásica entre precipitación y reflectividad del radar, también denominada ecuación fundamental o patrón:
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A R (8)
Siendo:
Z (mm6/m3); R (mm/h)
Finalmente, encontrar la relación entre la reflectividad obtenida por el radar en el cuerpo de una nube y la precipitación medida en superficie por aparatos puntuales, radica en encontrar las constantes A y b, que dependerá de la región que se trate, del tipo de evento, etc.
Marshall y Palmer propusieron la primera relación en 1948, basada en muchas observaciones experimentales, que relacionaban las observaciones obtenidas por el radar y las medidas en pluviómetros (Pardo y Martinez, 2010)
En la Tabla 3 se presentan algunas de las principales ecuaciones propuestas. Tabla 3: Ecuaciones Z – R – Fuente: Pardo y Martinez (2010)
Z = A Rb A b Validez
Mashall – Palmer (1948) 200 1,6 Precipitaciones homogéneas y eventos estratiformes Blaunchard (1953) 31 1,37 Precipitaciones orográficas
Jones (1956) 486 1,37 Precipitaciones convectivas Joss y Waldvogel (1967) 230 1,4 Precipitaciones medias Joss y Waldvogel (1967) 400 1,3 Procesos convectivos intensos Joss y Waldvogel (1967) 100 1,4 Procesos frontales – gotas muy
pequeñas
Smith et. al. (1975) 155 1,88 Procesos convectivos – presencia de granizo
Sekhon y Srivastava (1970) 1780 2,21 Nieve
Es conocido que los procedimientos de transformación de reflectividad en precipitación no son exactos, sino que están sujetos a numerosos errores que dependen de muchos factores como el tipo de tecnología empleada en el monitoreo, la zona de emplazamiento del radar (sus características topográficas, climatológicas, etc.), los algoritmos empleados, entre otros factores, lo cual determina que el ajuste es un proceso que normalmente demanda muchos años de mediciones continuas y de contrastes hasta llegar a resultados confiables.
Sin embargo un punto en común es la necesidad de contar con datos de lluvia medidos en superficie, para su comparación con los datos de precipitación estimados a partir del radar mediante el empleo de estos procedimientos, de manera de ajustar los parámetros que permitan minimizar el error de estimación. De esta necesidad surge el objetivo del presente trabajo.