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MIETEOROlOGIA
APLICACION ESPECIAL AL MICROCLIMA DEL BOSQUE
LUIS GONZAGA GIRALDO LOPEZ
Ingeniero Forestal
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SECCIONAL MEDELLIN
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS FORESTALES
1989
ü UNAL-Medellin
11I1I1111j~l ll ll11111111111111111111I1111I1111I11 1111I111111111111111 1111 1111 6 4000 00068436 8
E.
El
en
la atmósfera.
Se hace espeCial
/
PRESENTACION
presente texto trata sobre diferentes temas de la meteorología,.
lo que respecta a los fenómenos más importantes de la atmósfera,
se estudian los parámetros que conforman el clima y las caracterís
ticas que hacen posible la conexión de las coberturas vegetales con
referencia al ecosistema forestal, puesto que en él
se forma un ambiente parti.cular, llamado microclima, responsable de
1a productividad forestal.
Existen innumerables investigaciones dispersas en el campo de la me
teü¡-ología y del microclima del bosque; por eso uno de los principa
les objetivos de este texto es reunir los estudios más relievantes y
ordenarlos en una 'secuencia de capítulos, para que sirvan como guía
de lectura en las clases de Meteorología. Es difícil encontrar en
la literatura consultada una obra académica práctica, que esté acorde
con los objetivos que se persiguen en este curso de Pregrado de Inge
niería Forestal; éste es un primer intento de hacerla.
IUNI -"SIL D N el NAL
BlB~YO:28TI A L
El manual trae suficientes diagramas explicativos y muchas de las in
vestigaciones revisadas se exponen con sus respectivas figuras y re
sultados obtenidos para aclarar más los conceptos. En algunos temas
profundizo en los modelos o ecuaciones, no con la finalidad de confun
dir, síno para llegar a una explicación más rigurosa de las variables
climáticas.
Es placentero para mi presentar este manual, no sólo desde el punto
de vista didáctico, sino también como apoyo a los estudiantes que ge
neran investigación en estos temas, como material de consulta.
-----------------------
----------
---- ------
TABLJi, DE I'TENIDO
pág,
INH, lJ~C ON
CA.PlTU O L 1, l Ac raN SOLA, BA ~,::E DE ENERG J EN 80 l} lIES 1 .lo
1.1 CONSTANTE SO AR Y DIS1RIBUCION ESPEC TRAL DE LA RADIACION
SOLAR 2
1. 2 PLANTAS Y RADIACION SOLAR 5
1.3 UNIDADES DE RADIACION y TERMINO OGIA 9
1.4 BALANCE DE ENERGIA RADIACION NCTA 11
1 .4.1 Radiación ~l obal 12
1.4.2 Radiación Neta 14
1.4.3 Conducción 15
1.4.4 Calor latente de evaporación 16
l· .:Jr. BALANCE DE ENERGIA EN L.A SUPERFICIE DEL SUELO DURANTE EL
DIA Y DURANTE LA NOCHE 18
L 6 ESTIMACION DE LA RADIACION SOLA.R GL OBAL 21
1.7 ESTIMACION DE LA RADI.ACION NETA _~~ 23
1.8 VARIACION DE LOS TERMINOS DEL BALANCE DE ENERGIA 25
1. 9 CALCULO DEL BALANCE DE ENERGIA) EJERCICIO ___~__ 28
301.10 BALANCE DE ENERGIA EN BOSQUES __
321.10.1 Absorción de radiación por el bosque tropical ____
37
pág.
1.10.2 Valores tí icos de los componentes del balance de ener
gía en bosques ' ___
1.11 INDICES RELACIONADOS CON EL BA ANCE DE ENERGIA 40 ~---
1.11.1 Razón de Bowen 40
1.11 . 2 I nd i ce de área f ol ;ar 41 ---------------~-------
1. 1~ .3 Ef ici encia de la energ ía en el proceso de fotosfnte s is _ 47
1.12 INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN . E ICION DE LA RADUI,CION SOLAR 49
REFERENCIAS :SIBLIOGRAFICAS 52
CAPITULO 2. TEMPERATURA DEL AIRE. VARIACION DENTRO DEL BOSQUE
TEMPERATURA DEL SUELO ________ 55
2.1 LA ATMOSFERA. DIVISION VERTICAL 56
2.2 TEMPERATURA DEL AIRE EN SUPERFICIE 58
2.3 TEMPERATURAS MEDIAS 59
2. 4 . GRADIENTE DE TEMPERATURA EN ALTITUD 60
L.5 TEMPERATURAS MAXIMAS y MINIMAS 64
2.6 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE 65
2.7 TEMPERATURAS Y FAJAS LIMITANTES PARA EL CRECIMIE~TO DE
LAS PLANTAS 69
2.8 VARIACI8N DE LA TEMPERATURA DENTRO DEL BOSQUE 75
2.9 TEMPERATURA DEL SUELO 81
2.9.1 Comportamiento de la temperatura del suelo cubierto con
bosque 81
2.9.2 Temperatura crítica y producción de materia orgánica 84
2.9.3 Perfil de la temperatura del suelo 87
2.9.4 Instrumentos de medida de la temperatura del suelo 90
pág.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 91
CAPITULO 3. CIRCULAC ION y HU ·?EDA AníJ~FERICA VI NTO EN
SUPERFICIE Y EN EL ERFIL DEL BOSQUE ___ _ 94
3 . 1 CIRCULACION DE LJI ATMO SFE. Jl. 94
3 . . 1 Cara er is . icas de l a cl rcul ci ón 9 era l o macroci rcu
l adón - -- - -_._--------- - 94
3.1.2 Zona d co~fluencia intertropical 100
3.1.3 Circulación local o microcirculación ------- 106
3.2 HUMEDAD ATMOSFERICA ______________ 110
3.2.1 ImpOl~tancia de la humedad a mosférica ________ 110
3.2 .. 2 Expresiones y variables de la humedad atmosférica ___ 111
3.3 VIENTO EN SUPERFIC E _~___ ________ 116
3.3.1 Medida del viento er uoerficie y unidades ------ 116
3.3.2 La variación diaria de la velocidad del viento y rosa de
de vientos. Ejercicio ------ ----------- 117
3.3.3 Instrumentos u"i1izados para medir la velocidad.Y direc
ción del viento 124
3.,3.4 Perfil de la velocidad del viento en bosques _____ 125
3.3.4.1 Capas de acoplamiento entre la vegetación y la atmós
fera --- 125
3.3.4.2 Propiedades de un perfil del viento en bosques: Modelo
Logarítmico de la velocidad del viento _______ 129
3.3.4.3 Perfil del viento en bosque de coníferas ______ 135
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS _____ - ______ 139
---
- - ------- -
----
--------
-------------------
pág.
CAPITULO 4. EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQUES 142---,-----
4.1 PROCESO DE EVAPORACION. FLUJO DEL VAPOR DE AGUA 142
4.2 EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQ UES 147
4.2.1 Modelación de la transpira c- on en bosques ______ 151
4.2.2 Resistencia aerod inámica 154
4. 2. 3 Resistencia esto , ~ t ica 156 '" .
4.2.4 Tasas de transpiraci6n en coberturas vegetales 158
4.2.5 Transpiración de bosques vs. t ranspiración de gram1neas 165
4.2.6 Medici6n de la resistencia estom~tica 168
4.3 MODELACION DE LA EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQUES : ECUACION
DE PENMAN - MONTEITH 169
4.4 EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL Y REAL 171
4.5 ESTIMACION DE LA EVAPOTRASPIRACION A Pi\ T R DE VARIABLES
~lETEOROLOG1CAS 175
4.6 MEDICIONES DIRECTAS PARA DETERMINAR LA EVAPOTRANSPIRACION 179
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 189
CAPITULO 5. PRECIPITACION : CARACTERIL4CION 193
5 . 1 CONDICIONES PARA LA FORMACION DE PRECIP JT /J,C ION _ _ _ 194
5.2 FORlv1AS DE PRECIPITACION y VELOCIDAD DE CAlDA 195
5.3 TIPOS DE PRECIPITACION _____________ 197
5.4 INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN LA PRECIPlTACION ____ 198
5.5 MEDICION DE LA PRECIPITACION ____ 202
5.5.1 Medici6n puntual de la precipitación ____________~ 202
5.5.2 Estimación de los errores en la medici6n de la precipitaci ón _______________________________ 203
- -------
--
pág.
5.5.3 Instrumentos de medici6n de la precipitación 205
5.6 CARACTERISTICAS DE LA PRECIPITP,CION 207
5.6 . 1 Cantidad o magnitud 207
5.6.2 Duración € intensidad 207 ------------------------~
15.6.3 Prec;p i t aci ón medi a. sobrE: un área' ___ _ _ _ 211
5 -¡ ón ll. . 4 Estud i os de"a l tur'c. de precip itación-á r~a.- dl! 'f 217
5.6 .5 Precipitacion máx i ma probable 219
5.6.6 Estudios de flIntensidad-Duración-F!~ecuenciall 220
5.6.7 Análisis de frecuencia de lluvias 222 ._------,-
5.7 VARIABILIDAD DE LAS CANTIDADES DE LLUVIA. SERIES.
HOMOGENEIDAD Y ESTII~ACION DE PROBABILID/l,OES _ _ ___ 225
5.7'.1 Series de precipitación _______ 225
5. 7. 2 Registros de precipitación faltantes ___________ 227
5. 7. 3 Curvas de doble masa 228- -----------.-------------- 5.7.4 Variabilidad de la cantidad de lluvia y estimación de
proba bil i dad _ _______________________~--" 230
5. 7.4.1 Distribución empírica _~_~ __________ . 232
5,7 . 4,2 Distribuciones teóricas 238
5.8 BOSQUES Y PRECIPITACION _______ 243
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ____ 251
CAPITULO 6. DISTRIBUCION DE LA PRECIPITACION A TRAVES DEL
BOSQUE _____________~ 253
6.1 PROCESO DE INTERCEPTACION. DEFINICION DE VARIABLES 253
6.2 MEDICION DE LAS PERDIDAS POR INTERCEPTACION ___ ~_ 257
pág.
6.2.1 Modelo general 257
6.2.2 Frecipitación total (p) 260
6.2.3 Precipitación Interna (PI) 262
6.2.4 Escurrimiento por el ta l l o (Et} 263
6.3 MODELACION DEL PROCESO DE IN ERCEPTAC ION 265
... ~ 1 Q,,j • .l. r1ode"lo l"¡ nea 1 si mpl e ____ ""_ 265
6.3.2 Modelo Fisico de UTTER 266
6.3.3 Modelo Anal1tico de Gash 274
6.4 El PAPEL DE BOSQUE DE CONIFERAS y BOSQUES NATURALES EN
LA DISTRIBUCION DE LA LLUVIA _____ 279
6.4.1 Eucalipto e interceptación 280
6.4.2 Conlferas e interceptación _____ 280
6.4.3 Especies latifoliadas e interceptación 284
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS _________ ___ 28
,l\PENDICE A ______
CAPITULO 1
RADIACION SOLAR y BALANCE DE ENERGIA EN BOSQUES
La radiación solar~ es la principal fuente de energía responsable de
que los organismos plantas o animales, de la superficie de la tierra
dispongan de un medio ambiente adecuado para su desarrollo.
La radiación solar y su flujo son altamente variables, tanto en el
tiempo como en el espacio, el, clima, la estación y otros factores.
La distribución de los organismos y plantas responden acorde con es
tos cambios.
Las plantas y su parte aérea (copas) reciben la energía por radiación,
convección y transferencia de evaporación, condicionando así el con
tenido de energía de la planta a su capacidad de absorción, para uti
1izar1a en su comportamiento fisiológico y acoplamiento con la atmós
1 fera adyacente.
Basado en este papel re1"evante de la radiación solar, se considera
rán en primer lugar, aspectos teóricos de la radiación, espectro solar
y balance de energía y en segundo lugar, en forma más específica, la
distribución de la radiación en el bosque y la respuesta de éste al
mi croc1 ima .
2
1.1 CONSTANTE SOLAR Y DISTRIBUCION ESPECTRAL DE LA HADIACION SOLfl,R.
La radiación solar- que penetra l a atmósfera de 'Ia tierra y alcanza la
superfic i e es la fuente de cas i t oda 1 encrgfa que sustenta la vida.
La radiación solar que alcanza la pa r te exterior de la atmósfera es
disioada de muchas formas, siendo en pa r te reflejada y en parte ab~or-
bida por la misma atm6sfera s las nubes~ otras partfculas s6lidas de
la atmósferas la vegetac i ón '.i Fi na l mente por' 'Ia tiena (ver Figura 1).
REFLEXIOPt 11%
I I
. ! I
EVA.P0 1: RANSP !RAe! ON 55t)/o
:.......- C,tId....PR SEN518~E
12%
FIGURA 1.
RADIA CION SOLAR
EXTRATERRESTE' lodro
ABSORCION 16%
R ADIACION ISo DIRECTA
RADIACION GLOBI\L ~O¿'
FLWO DE CALOR H~IA EL SUELO 0% -.. ,1
Distribución de la radi ·.:Jción ext.raterrestre y de la radiación global (Adaptada de Lima, 1986).
---
3
Los porcentajes fueron tomados de Geiger, 1966,adaptado por Lima
(1986).
La radiación solar es transferida de un lugar a otro a la velocidad
de la luz, a través de ondas. Ella puede ser radiación de alta fre
cuencia, con longitud de onda corta, o baja frecuencia, con longitud
de onda 1arga.
La distribución expectral de la radiación extraterrestre es represen
tada por Gate (1965) en la Figura 2. El área total bajo la curva es
-¡ E U
-¡ e "6
N E U -J <t O
~
U Z
~ a: a:
Q3 0:4
--ULTRAVIOI..E-T4--f-!
0.6 0705 LONGITUD DE
- -VISIBLE ··¡...I·
FLUJO DE LUZ SOLAR
EXTRATERRESTRE 2!)0 e A L C m-2 min-I
LUZ SOLAR DIRECTA
NIVE L DEL MAR 1.34 CALCM-2 MIW
ONDA, MICRONES
1200-!5)
:5'10(10- )
200-~
15.000 10.000
NUMERO DE ONDAS
Distribución espectral de la radiación solar extrat~r~estre,FIGURA 2. de la radiación solar a nivel del mar, y luz transmltlda a través de la vegetación (adaptada de Gate. 1965).
4
2.0 Cal Cm-2 Min- 1; a éste valor se ha denominado LA CONSTANTE SOLAR,
estimada como la cantidad de radiación solar por un i dad de 5rea por
unidad de tiempo, que incide perpendicularmente n una superficie nor
mal, unitaria, cuando el radio vector ti er ra-sol es unitaria (distan
cia media entre tierra y sol ) y en ausencia de atmósfera (Ometto,
1981) ,
En la Figura 3~ Reifsnycter y Lull (1965) , presentan -las bandas del es
pectro solar en forma esquem5ti ca. La r adiación solar' ultravioleta es
absorbida casi completamente por la capa de ozono existente en las ca
pas altas de la atmósfera. l a rad i ac i ón azul del espectro visible es
dispersada y a la vez absorbida confiriendo el color azul al cielo. <
El infrarrojo del espectro es atenuadJ por absorción del vapor de agua
y el dióxido de carbono de la atmósfera . Además los ray()s S01;1 1-CS Gü~
atraviesan la atmó5fe ;~ son atenuados po r di si pación .
_-_....,....~_..nADIACION TER"U:,..;;~"toI
1oo ____INFR ARR0.JJf-_ L JANO
, , ~~~ILU~t..L..J;~.u...::..=.:..:=r.'::::"::L-..L.l-Ll....LI..L---=.:t.:.:.::.i.::"-..l.-...L....J...i....1
01 2 5 10 20 50 100 / LONGITUD D,E ONDA ~m
FIGURA 3. Longitud de onda de la radiación solar y terrestre y las bandas del espectro solar (Adaptada de Reifsnyder y Lull,
. 1965).
5
Volviendo sobre la Figura 3, la radiaci6n con longi t udes de onda
0.4- a 0.7 micras (una micra = 1000 m,l-( (milimicra) es visible sin
ayuda para e ojo humano y se denom ina luz. La rad iación infran'oja
en la faja de 0.7 a 4. 0 micras ( i nfrarroj o próx imo) . Po~ ot ra parte
la superficie de lo. tierra también emite radiación, pero so·lamen te
de onda l arga , en. la faj a de 4 .0.p ( infrarroj o le ·ano ), ha s t a 100
micra,s (Reifsnyder· y L11 1, 1965) , \ .
1.2 PLANTAS Y RADIACION SOLAR,
El contenido de energia y por supuesto, la temperatura, de una planta
dependen parcialmente de la radiaci~n incidente y la emitida , La can
tidad de energfa radiante absorbida por l a planta sé determi na direc
tamente por su absorbanc i a~ la cua l es una funci6n compleja de la 10n
gitud de onda, mientras que la cantidad de energia radiante emitida se
determina a través de su transmitancia . Actualmente, una planta absor
be solamente el 60%de la energfa solar incidente y el 97%de la ra
\ diaCiÓn térmica infrarroja incidente del medio ambiente (Gates, 1965).
las propied .1es espectrales de las hojas de una planta han sido consi
deradas en detal le por diferentes autores (Gates, 1965; Larcher, 1970;
Jarvis, 1976; Ometto, 1980; Grace, 1983; Chiariello, 1984). tas pro
piedades espectrales de una hoja de Populus deltoides se pueden obser
var en la Figura 4 (Gates, 1965~. El espectro de absorbancia muestra
claramente que una planta absorbe en nivel alto las longitudes de
6
onda del azul y el rcjo~ en nivel intermedio el verde, en muy bajo
nivel el infrarrojo cercano, y en alto nivel el infrarrojo lejano.
\ ¡ I I t I LJL.....-<-I-1.1_----'1_--,---,I~L.l.u_1 _ 0.4 Q5 Q6 0.7 Q8 O.S lO 1.5 20 4.0 la O CD
1.:......4-. LONGITUDDEONDA M ICRONES
VISIBLE .... ______ INFRARO.W.----_~.j
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.'~ '.ro ,o" 'o " ....... .•• ro.··
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- .~ ....Z '.:'PO PUWS DELTOIDES
---ABSORSANCI A. r - ~ --" 11.1
~ 40O - - - - -REFLECTANCIA SOBR { .... - ....11.
LA SUPE~FICIE:/ \ \.
· ........ :·· ..·TRANSMITANCIA
:1 fr'".:ir I !I ,::
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25.00 20·00 15.000 10·000 5.000 o NUMERO DE ONDAS c~
Reflectancia, transmitancia yabsorbancia de las hojas deFIGURA 4. PQPulus deltoides (Adaptada de Gates, 1965).
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