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Medida, Análisis Climatológico y Modelización de la Radiación Solar
Ultravioleta Total en Valladolid
David Mateos Villán
Laboratorio de Atmósfera y Energía Grupo de Óptica Atmosférica
Departamento de Física Aplicada
Septiembre 2008
D. David Mateos Villán, Licenciado en Física, ha realizado el trabajo “Medida, análisis climatológico y modelización de la radiación solar ultravioleta total en Valladolid” en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Valladolid, bajo la dirección de los profesores Dra. Dª Julia Bilbao Santos y Dr. D. Argimiro de Miguel Castrillo, para la obtención del título de “Máster de Instrumentación en Física”. Valladolid, a 12 de septiembre de 2008
Fdo. Dra. Dª. Julia Bilbao Santos Fdo.Dr. D. Argimiro de Miguel Castrillo
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Agradecimientos Agradezco la ayuda recibida por el proyecto “Componentes directa y difusa de la radiación solar UVB e índice UVI: Medida y Modelización” del Ministerio de Innovación y Ciencia con referencia CGL 2006-06519 y perteneciente al área de Biodiversidad, Ciencias de la Tierra y Cambio Global, sin la cual este trabajo no hubiera sido posible. Agradecer también de forma especial a los directores de este trabajo, Dra. Dª. Julia Bilbao Santos y Dr. D. Argimiro de Miguel Castrillo, por la ayuda y colaboración prestada en el proceso. Extensivo este agradecimiento a los profesores del “Máster de Instrumentación en Física” y a las instituciones nacionales e internacionales por los datos proporcionados. Y, por último, como no podía ser de otra forma, a mi familia, mención especial merecen mis padres y los que ya no están, y a mis amig@s, que tanto me han aguantado, aguantan y aguantarán…
Sin más que volver a transmitir mi más humilde gracias,
Hasta siempre
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Índice general Introducción y objetivos .................................................................................................12 Capítulo 1: La radiación solar ultravioleta .....................................................................16
1.1. Introducción.................................................................................................. 16 1.2. Factores moduladores de la radiación UV en su paso por la atmósfera ....... 17 1.3. Medida y estimación de la radiación solar UV............................................. 25
Capítulo 2: Instrumentación y medidas ..........................................................................28
2.1. Estación de medida C.I.B.A. ........................................................................ 28 2.1.1. Piranómetro de radiación solar UVT...................................................... 30 2.1.2. Piranómeto de radiación solar global horizontal .................................... 30 2.1.3. Sonda de temperatura y humedad relativa.............................................. 32 2.1.4. Sensor de presión.................................................................................... 33 2.1.5. Sistema de adquisición de datos ............................................................. 34 2.1.6. Control de calidad de los datos de la estación C.I.B.A. ......................... 35
2.2. Fotómetro Microtops-II ................................................................................ 36 2.3. Fotómetro CIMEL ........................................................................................ 38 2.4. Espectrorradiómetro Brewer......................................................................... 38 2.5. Estimaciones de satélites de la Columna Total de Ozono ............................ 38
2.5.1. Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) / NASA.......................... 39 2.5.2. Gobal Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) .............................. 39
2.6. Estimación de satélite de la columna de agua precipitable: NOAA-16 ....... 40 2.7. Datos de altura geopotencial a 200mb.......................................................... 40 2.8. Base de datos disponible............................................................................... 41
Capítulo 3: Análisis estadístico de la radiación solar .....................................................42
3.1. Radiación solar global horizontal ................................................................. 42 3.1.1. Evolución temporal de la radiación solar global horizontal. .................. 42 3.1.2. Estudio estadístico de valores horarios de radiación solar global
horizontal. ............................................................................................... 44 3.1.3. Estudio estadístico de valores diarios de radiación solar global
horizontal. ............................................................................................... 45 3.2. Radiación solar ultravioleta total horizontal................................................. 49
3.2.1. Evolución temporal de la radiación solar ultravioleta total horizontal... 49 3.2.2. Estudio estadístico de valores horarios de radiación solar ultravioleta
total horizontal. ....................................................................................... 49 3.3. Relación entre radiación solar ultravioleta y radiación solar global. .......... 56
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Capítulo 4: Variables que influyen en la radiación solar ultravioleta ............................60 4.1. Influencia de la altura solar en la radiación UV ........................................... 60 4.2. Influencia de la nubosidad en la radiación solar UV.................................... 61
4.2.1. Índice de claridad o transmitancia hemisférica ...................................... 62 4.3. Influencia del ozono estratosférico en la radiación solar ultravioleta .......... 69
4.3.1. Validación de las medidas de satélites. .................................................. 70 4.3.2. Medidas de la columna total de ozono sobre Valladolid........................ 71 4.3.3. Estudio climatológico de la columna total de ozono sobre el C.I.B.A…72 4.3.4. Relación del ozono estratosférico con otras variables............................ 75
4.4. Influencia del vapor de agua en la radiación solar UV................................. 77 4.4.1. Comparación MICROTOPS-II – CIMEL de la columna de agua
precipitable.............................................................................................. 78 4.4.2. Comparación de datos de satélite con instrumentos terrestres y
expresiones teóricas para la columna de agua precipitable. ................... 79 4.4.3. Estudio climatológico de la columna de agua precipitable sobre el
C.I.B.A. ................................................................................................... 80 4.5. Influencia del espesor óptico de aerosoles en la radiación solar UV ........... 82
Capítulo 5: Modelización de la radiación solar UVT.....................................................84
5.1. Metodología.................................................................................................. 84 5.2. Modelo empírico lineal de UVT con la radiación solar global horizontal ... 85 5.3. Modelos empíricos de UVT usando radiación extraterrestre ....................... 85
5.3.1. Relación exponencial entre las transmitancias ktuv y kt. ......................... 86 5.3.2. Relación potencial entre la transmitancia hemisférica del UV, la del
global y la masa óptica............................................................................ 88 5.3.3. Relación entre la transmitancia hemisférica del UV, la del global, la
elevación solar y el ozono....................................................................... 90 5.4. Modelo de UVT para cielos despejados ....................................................... 91 5.5. Modelos UVT usando la irradiación en cielos despejados (UVdesp-h). ........ 94 5.5. Comparativa y resumen de los modelos propuestos de radiación UVT....... 95
Capítulo 6: Conclusiones y líneas futuras de investigación ...........................................98 Anexo 1: Parámetros estadísticos .................................................................................100 Anexo 2: Espectro solar extraterrestre..........................................................................104 Acrónimos ....................................................................................................................105 Nomenclatura................................................................................................................106 Bibliografía...................................................................................................................108
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Índice de figuras Capítulo 1 Figura 1.1. Irradiancia espectral solar extraterrestre……. .............................................17 Figura 1.2. Fotografías del fotómetro solar manual Microtops-II, del
espectrorradiómetro Brewer y del sensor satelital OMI de la NASA ..........20 Figura 1.3. Fotómetro solar CIMEL...............................................................................23 Capítulo 2 Figura 2.1. Estación solar C.I.B.A..................................................................................29 Figura 2.2. Piranómetro TUVR de EPLAB....................................................................29 Figura 2.3. Piranómetro CM 11......................................................................................31 Figura 2.4. Esquema del piranómetro CM 11 de Kipp&Zonen .....................................31 Figura 2.5. Sensor barométrico RPT410F de la casa Campbell Scientific.....................33 Figura 2.6. Datalogger CM23X de Campbell Scientific. ...............................................34 Capítulo 3 Figura 3.1. Evolución temporal de los valores diarios y de los valores medios
mensuales de radiación solar global.. ...........................................................43 Figura 3.2. Evolución anual de la elevación solar y del ángulo cenital para las
coordenadas geográficas del C.I.B.A. ..........................................................43 Figura 3.3. Evolución mensual de diversos parámetros estadísticos de la
irradiación global diaria registrada en la estación C.I.B.A...........................45 Figura 3.4. Radiación solar global horizontal acumulada durante un año promedio
en el C.I.B.A.. ...............................................................................................46 Figura 3.5. Evolución temporal de los valores diarios y de los valores medios
mensuales de radiación solar UVT...............................................................49 Figura 3.6. Evolución temporal de la irradiación UVT acumulada en un día
promedio de cada mes. .................................................................................50 Figura 3.7. Evolución mensual de diversos parámetros estadísticos de la
irradiación UVT diaria registrada en la estación C.I.B.A.. ..........................51 Figura 3.8. Radiación solar ultravioleta horizontal acumulada durante un año
promedio en el C.I.B.A.................................................................................55 Figura 3.9. Radiación solar global y UVT diarias promedios mensuales para un
año promedio ................................................................................................55 Figura 3.10. Porcentaje de la relación horaria UV/G en función de la radiación
solar global horizontal horaria......................................................................58 Figura 3.11. Porcentaje de la relación horaria UV/G en función de la radiación
solar global horizontal diaria ........................................................................59
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Capítulo 4 Figura 4.1. Radiación solar ultravioleta horaria en función de la masa óptica de
aire ................................................................................................................61 Figura 4.2. Radiación solar ultravioleta horaria promedio frente a la cubierta de
nubes para distintos rangos de elevación solar.............................................62 Figura 4.3. Índice de claridad horario para el periodo de medidas noviembre 2000
a junio 2008 en el C.I.B.A............................................................................63 Figura 4.4. Índice de claridad UV horario para el periodo de medidas febrero
2001 a junio 2008 en el C.I.B.A. ..................................................................64 Figura 4.5. Evolución del índice de claridad global horario en función de la
cubierta de nubes ..........................................................................................64 Figura 4.6. Evolución del índice de claridad ultravioleta horario en función de la
cubierta de nubes ..........................................................................................65 Figura 4.7. Valores horarios del cociente de radiación solar UVT respecto de la
radiación solar global horizontal en función de la cubierta de nubes y para distintos rangos de ángulos de elevación solar .....................................68
Figura 4.8. Valores horarios del cociente UV/G en función de la transmitancia hemisférica global horaria ............................................................................68
Figura 4.9. Valores horarios del cociente UV/G y de la transmitancia hemisférica horaria para el UV en función de la cubierta de nubes y para elevaciones solares mayores de 60º..............................................................69
Figura 4.10. Evolución temporal de la columna total de ozono sobre AEMet, (Madrid)........................................................................................................70
Figura 4.11. Evolución temporal de la columna total de ozono sobre la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid................................................71
Figura 4.12. Evolución temporal de las medias mensuales de la columna total de ozono en el C.I.B.A ......................................................................................73
Figura 4.13. Evolución temporal las anomalías estandarizadas de la columna de ozono en el C.I.B.A. .....................................................................................74
Figura 4.14. Número de veces en las cuales se ha dado un determinado cambio en la columna total de ozono entre dos días consecutivos durante todo el periodo de medidas.......................................................................................74
Figura 4.15. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono y de la altura geopotencial a 200mb en el C.I.B.A. ..............75
Figura 4.16. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono y del espesor óptico de aerosoles a 870nm. ..........................76
Figura 4.17. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono y de la radiación UVT en el C.I.B.A.....................................77
Figura 4.18. Evolución temporal de la columna de agua precipitable registrada por los fotómetros CIMEL y Microtops-II ........................................................78
Figura 4.19. Comparación de la columna de agua precipitable diaria medida por los fotómetros CIMEL y Microtops-II ........................................................78
Figura 4.20. Evolución de la columna de agua precipitable en los años 2003 y 2004 ..............................................................................................................79
Figura 4.21. Evolución temporal de la columna de agua precipitable registrada por el fotómetro CIMEL y la calculada con la expresión teórica de Won. ........80
Figura 4.22. Evolución temporal las anomalías estandarizadas de la columna agua precipitable. ..................................................................................................81
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Figura 4.23. Evolución temporal del espesor óptico de aerosoles a 1020nm registrada por los fotómetros CIMEL y Microtops-II .................................82
Figura 4.24. Comparación del espesor óptico de aerosoles a 1020nm diario, medido por los fotómetros CIMEL y Microtops-II .....................................83
Capítulo 5 Figura 5.1. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo
UVT-CIBA-1 y la registrada en la estación radiométrica C.I.B.A...............87 Figura 5.2. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo
UVT-CIBA-2 y la registrada en la estación radiométrica C.I.B.A...............89 Figura 5.3. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo
UVT-CIBA-3 y la registrada en la estación radiométrica C.I.B.A. para una elevación solar comprendida entre 15 y 20º ..........................................91
Figura 5.4. Radiación solar ultravioleta horaria en función de la masa óptica de aire para cielos despejados ...........................................................................92
Figura 5.5. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo UVT-CIBA-Desp y la registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., ......93
Figura 5.6. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por a través del Modelo- UVT-CIBA-4 y la registrada en la estación C.I.B.A. ..............95
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Índice de tablas Capítulo 2 Tabla 2.1. Sensores radiométricos y meteorológicos instalados en la estación solar
C.I.B.A..........................................................................................................29 Tabla 2.2. Características del piranómetro TUVR de EPLAB.......................................30 Tabla 2.3. Características del piranómetro CM 11 de Kipp&Zonen..............................32 Tabla 2.4. Características del sensor de humedad relativa HUMICAP de Vaisala........32 Tabla 2.5. Características del sensor de temperatura PT1000........................................33 Tabla 2.6. Características del sensor barométrico RPT410F de la casa Campbell
Scientific. ......................................................................................................34 Tabla 2.7. Características del datalogger CR23X de la casa Campbell Scientific. .......35 Tabla 2.8. Especificaciones del Microtops-II de Solar Light Company., Inc. ...............37 Tabla 2.9. Sensores radiométricos y meteorológicos instalados en la estación solar
C.I.B.A..........................................................................................................41 Capítulo 3 Tabla 3.1. Parámetros estadísticos de la radiación solar global horaria en los
meses de julio entre noviembre de 2000 y junio de 2008 en el C.I.B.A. .....47 Tabla 3.2. Parámetros estadísticos de los datos diarios de radiación solar global
horizontal en el periodo noviembre 2000 - junio 2008 en el C.I.B.A. .........48 Tabla 3.3. Parámetros estadísticos de la radiación solar UVT horaria en los meses
de julio desde febrero 2001 a junio 2008 en el C.I.B.A. ..............................52 Tabla 3.4. Radiación UVT acumulada durante un día promedio para cada mes en
la estación C.I.B.A........................................................................................53 Tabla 3.5. Parámetros estadísticos de los datos diarios de radiación solar UVT
horizontal durante el periodo febrero 2001 - junio 2008 en el C.I.B.A........54 Tabla 3.6. Parámetros de la regresión lineal UV = a*G para los datos horarios y
diarios en la estación C.I.B.A. ......................................................................56 Tabla 3.7. Parámetros de la regresión potencial UV = a*Gb para los datos horarios
y diarios en la estación C.I.B.A. ...................................................................57 Capítulo 4 Tabla 4.1. Parámetros de la regresión lineal ktuv = a kt para los datos horarios y
diarios registrados en el C.I.B.A...................................................................66 Tabla 4.2. Coeficientes de las regresiones lineales Brewer - OMI y Brewer –
GOME-2 sobre el AEMet, (Madrid). ...........................................................71 Tabla 4.3. Coeficientes de las comparaciones del Microtops-II con los sensores de
satélites sobre la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid......72 Tabla 4.4. Parámetros estadísticos de las medias mensuales de la columna total de
ozono sobre el C.I.B.A., desde noviembre de 1978 hasta junio de 2008 .....72 Tabla 4.5. Comparaciones entre las medidas diarias de columna de agua
precipitable: CIMEL, NOAA-16 y Won ......................................................80 Tabla 4.6. Parámetros estadísticos de las medias mensuales de la columna de agua
precipitable ...................................................................................................81
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Capítulo 5 Tabla 5.1. Parámetros “a” y “b” de la ecuación 5.3 para distintas elevaciones
solares. ..........................................................................................................86 Tabla 5.2. Evaluación de los modelos tipo ecuación 5.7 encontrados en la
bibliografía....................................................................................................88 Tabla 5.3. Evaluación de los modelos 5.12 y 5.13, siendo el primero, el Modelo-
UVT-CIBA-2 y el segundo, encontrado en la bibliografía. .........................89 Tabla 5.4. Evaluación de las ecuaciones 5.22 a 5.26 con el conjunto de datos de
validación de la base de datos de la estación solar C.I.B.A. ........................94 Tabla 5.5. Tabla resumen con los modelos propuestos para la radiación solar UVT
horaria en la estación solar C.I.B.A..............................................................97
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Introducción y objetivos
En esta introducción se presenta el marco en el que se desarrolla este trabajo de investigación, los antecedentes bibliográficos más interesantes y los objetivos planteados. Además, se detalla la estructura del mismo. Marco de Trabajo y antecedentes bibliográficos
La radiación electromagnética que llega a la Tierra procede principalmente del Sol. El espectro solar se divide en varios intervalos en los que la radiación tiene similares características: rayos γ, rayos X, radiación ultravioleta (UV), radiación visible y radiación infrarroja. En la actualidad, existe un gran interés en este espectro, y más especialmente, en la radiación ultravioleta. Este interés es debido a que, dicha radiación resulta ser la más energética de las capas bajas de la atmósfera, con lo que ejerce una notable influencia tanto sobre la atmósfera, como sobre los seres vivos. Algunos de los efectos que han sido observados en estudios realizados en los últimos años son los siguientes:
Efectos que produce en la vida acuática, afectando tanto al fitoplacton como al
zooplacton (Jacquet and Bratbak, 2003). Efectos sobre las plantas. Afectando a su crecimiento, reduciendo el tamaño de
sus hojas y, por tanto, limitando el área de captura de energía. Se pueden producir daños a largo plazo, al dañar el ADN y el aparato fotosintético (Paoletti, 2005).
Efectos de la radiación solar UV en los humanos. A pesar de penetrar menos de 1mm en el cuerpo humano, se pueden producir efectos muy perjudiciales como eritemas, cánceres de piel, melanomas malignos, cataratas, etc. (Gallagher and Lee, 2006). Según la Organización Mundial de la Salud (OMS-WHO), el 20% del total de casos de cataratas que se producen anualmente se podrían atribuir a efectos de la radiación UV (WHO, 1995). Aunque, probablemente, el efecto más peligroso sea el daño a las moléculas del ADN (Diffey, 1991).
Fotodegradación de plásticos (Zhao et al, 2007), colorantes, pinturas y fibras, tanto artificiales como naturales. Estos efectos son muy importantes para la conservación y durabilidad de todo tipo de materiales, por lo que varias instituciones están realizando estudios para la mejora de la durabilidad de los materiales frente a la radiación solar ultravioleta. En particular, los paneles solares, tanto térmicos como fotovoltaicos, precisan de una larga duración, por lo que se están realizando estudios para minimizar el efecto de la radiación UV sobre ellos.
Influencia en el balance energético terrestre y, por consiguiente, en el llamado “cambio climático” mundial, que tanto preocupa a los dirigentes mundiales y a la población en general.
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Pero no todo son efectos perjudiciales, la síntesis de la vitamina D es uno de los efectos beneficiosos de la radiación ultravioleta (Webb and Holick, 1988; Kimlin, 2004).
Por lo tanto, este trabajo de investigación se centra en el estudio de la radiación solar ultravioleta total (UVT).
En las últimas décadas, la cantidad de radiación solar UV registrada en la superficie terrestre ha aumentado considerablemente debido, principalemente, al descenso en la cantidad de ozono (Madronich et al., 1998; WMO, 1999). Este hecho, unido al aumento de casos de los efectos antes mencionados, ha hecho que aumente el interés por cuantificar de forma precisa la radiación UV que alcanza la superficie. En España, la Agencia Estatal de Meteorología (AEMet) ha instalado una red de medida de la radiación solar UV. En la actualidad, algunas Universidades disponen de una red de medida, evaluación e información en esta radiación, como las Universidades de Galicia, Cataluña, Valencia, Extremadura y Andalucía.
En Europa (Gröbner et al, 2006), existen también grupos especializados en diferentes Universidades, Institutos y Centros de Investigación, como Ispra, Centro de Radiación de Davos (Suiza), Instituto Tecnológico de Zurich, Universidad de Berna, entre otros.
En la comunidad autónoma de Castilla y León, se dispone de un piranómetro TUVR (descrito detalladamente en el capítulo 2) en el Centro de Investigación de la Baja Atmósfera (C.I.B.A.) de la Universidad de Valladolid para medir la radiación solar UVT, junto con otros sensores radiométricos y meteorológicos. A través de las medidas de este sensor, se puede estudiar la magnitud de la radiación solar UV, así como su variabilidad temporal.
Además de estas medidas, se necesitan modelos de estimación que proporcionen valores de la radiación UV en lugares que carezcan de la instrumentación adecuada. Existen dos tipos de modelos, los modelos de transferencia radiativa, basados en leyes físicas que describen los procesos de interacción entre la radiación y la atmósfera, y los modelos empíricos, construidos mediante ajustes de expresiones matemáticas entre las medidas registradas en la estación y diversas variables meteorológicas. En este trabajo se investigará con modelos empíricos, ya que permiten relacionar la radiación UVT con otras variables que se pueden encontrar fácilmente en estaciones de medida.
Los principales factores que intervienen en la modulación de la radiación UV son el ozono estratosférico, la elevación solar y la nubosidad. La atenuación por aerosoles (y por la masa de agua precipitable, relacionada con el crecimiento higroscópico de éstos), aunque en menor medida, también tiene un efecto notable en la radiación UV. Estudios anteriores demuestran como la radiación UVT puede ser estimada a partir de la elevación solar, de medidas directas de radiación solar global, de la nubosidad, de estimaciones satelitales de la columna total de ozono y de otras variables meteorológicas (Foyo-Moreno et al., 1999,2003; Murillo et al., 2003; Bilbao et al., 2005; Barbero et al., 2006; Salvador, 2007; Antón, 2007).
Objetivos y Estructura El principal objetivo de este trabajo es la caracterización y estimación de la
radiación solar UVT en Valladolid mediante modelos empíricos y el estudio de los principales componentes de la atmósfera que interaccionan con ella. Este objetivo general se ha traducido en unos objetivos concretos:
Conseguir series de datos fiables para la radiación UVT, radiación global y otras
variables radiométricas y meteorológicas. Describir la evolución diaria y mensual de la radiación global y de la radiación
UVT en la estación C.I.B.A, analizando también las relaciones entre ambas. Realizar un análisis exhaustivo de los factores más relevantes que presentan
influencia en la radiación UVT: elevación solar, nubosidad, columna de ozono estratosférico, masa de agua precipitable y espesor óptico de aerosoles en provincia de Valladolid.
Proponer diversos modelos empíricos que permitan obtener una buena
estimación de la radiación UVT a partir de las variables antes citadas.
Este trabajo de investigación consta de 6 capítulos, 2 anexos y una sección con la bibliografía utilizada.
En esta introducción se definen el marco de trabajo, los antecedentes
bibliográficos, los objetivos propuestos y la estructura de este trabajo. En el primer capítulo se presenta, de forma resumida, la radiación UV: su rango
espectral, sus efectos y su atenuación en su paso por la atmósfera mediante los procesos de absorción y dispersión.
En el segundo capítulo se especifica la instrumentación utilizada para conseguir
las series de datos que se utilizan en este trabajo. Se incluye una descripción detallada de la estación radiométrica situada en el Centro de Investigación de la Baja Atmósfera (C.I.B.A.).
En el tercer capítulo se realiza un análisis estadístico de la radiación solar global
y de la radiación solar UVT. Se analizan también las relaciones existentes entre ambas variables.
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En el cuarto capítulo se puede encontrar un análisis exhaustivo de los cinco parámetros más influyentes en la radiación solar UVT en Valladolid. Se estudia la dependencia de esta radiación con: la masa óptica de aire, con la nubosidad (introduciendo el concepto de transmitancia hemisférica y analizando la dependencia del cociente UV/G en función de la nubosidad), con el ozono (realizando una comparación entre medidas realizadas por un espectrorradiométro Brewer, dos sensores abordo de satélites y un fotómetro solar manual Microtops-II y estudiando las anomalías estandarizadas de la columna de ozono sobre la estación C.I.B.A.), con la masa de agua precipitable (con un análisis climatológico de la misma) y el espesor óptico de aerosoles (realizando una comparación entre medidas realizadas por un fotómetro CIMEL y un fotómetro solar manual Microtops-II ).
El quinto capítulo aborda el principal objetivo de este trabajo: la obtención de
una expresión empírica que proporcione buenas estimaciones de la radiación solar UVT. Se construyen diversos modelos que relacionan variables como la masa óptica, la transmitancia hemisférica global, la radiación UVT para cielos despejados, la radiación solar UVT extraterrestre o la columna total de ozono estratosférico. Se encuentra detallado el proceso de construcción y validación de cada uno de ellos.
En el sexto capítulo se resumen los principales resultados y conclusiones
obtenidos en este trabajo de investigación.
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Capítulo 1: La radiación solar ultravioleta
1.1. Introducción La radiación solar ultravioleta (UV) se define como la parte del espectro
electromagnético comprendida entre 100 y 400nm. En la figura 1.1 se representa la irradiancia espectral solar extraterrestre en función de la longitud de onda, la zona sombreada de morado se corresponde con la región del UV. Esta radiación constituye, aproximadamente, un 8% de la energía que llega a la cima de la atmósfera (un 39% es visible y el 53% está dentro del infrarrojo).
La radiación UV (100-400nm) se descompone en tres rangos según los efectos
biológicos que produce:
Ultravioleta C (UVC): comprende el intervalo entre los 100 y 290nm. Este rango es totalmente nocivo para los seres vivos. Este tipo de ultravioleta es totalmente absorbido, bien por el oxígeno molecular o bien por el ozono.
Ultravioleta B (UVB): se extiende desde los 290 y 315nm (Badosa i Frach,
2006). Aunque este último umbral, algunos autores lo sitúan en los 320nm, la mayor parte de organismos internacionales lo sitúan en los 315nm: la Organización Meteorológica Mundial (WMO), la Organización Mundial de la Salud (WHO), el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP), la acción europea COST713 (Vanicek et al., 2000),… La mayor parte de esta radiación es absorbida por el ozono estratosférico (banda de absorción de Hartley). Sin embargo, parte sí consigue alcanzar la superficie terrestre, y al ser muy energética, interaccionará con los organismos vivos pudiendo provocar graves daños, como los que se han citado anteriormente.
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000Longitud de onda (nm)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Irra
dian
cia
espe
ctra
l sol
ar e
xtra
terr
estre
(W m
-2 n
m-1)
Figura 1.1. Irradiancia espectral solar extraterrestre siguiendo el espectro de Gueymard (2004), ver anexo
2. En sombreado, la región del UV.
Ultravioleta A (UVA): abarca desde los 315 hasta los 400nm. Esta radiación es mucho menos afectada por el ozono, tanto es así que representa en torno al 90% de la radiación UV medida en superficie. Pero, al ser menos energética que la UVB, los efectos que produce en los seres vivos son menos agresivos que los producidos por ésta.
1.2. Factores moduladores de la radiación UV en su paso por la atmósfera
Desde el momento en el que la radiación solar atraviesa la cima de la atmósfera,
la radiación comienza a experimentar fenómenos de absorción y dispersión por parte de los constituyentes atmosféricos, que van a determinar los niveles de radiación que alcanzarán la superficie.
Los principales factores que actúan sobre la radiación UVT son:
Altura solar
El factor que más influencia tiene sobre la radiación global en general, y sobre la radiación UV en particular es la altura solar. Esta altura se define como el ángulo formado por el plano del horizonte y la dirección al Sol. Este factor presenta un doble efecto modulador sobre la radiación que alcanza la superficie. Por un lado, el efecto geométrico de la conocida Ley del Coseno (ecuación 1.10), que establece que la irradiancia medida en una superficie horizontal es igual a la irradiancia de incidencia normal multiplicada por el coseno del ángulo que forman la dirección de propagación con la dirección normal a la superficie, ver figura 1.2.
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SOL ZENIT
Figura 1.2. Relación entre las irradiancias directa normal ( ) y horizontal ( ). 0nI& 0I&
IRRADIANCIA
NORMAL
SUPERFICIE HORIZONTAL
IRRADIANCIA HORIZONTAL 0I&
TIERRA
0nI&
0 0n zI = I cos(θ )& & (1.10) donde es la irradiancia sobre una superficie horizontal, es la irradiancia
extraterrestre en una superficie normal a los rayos del Sol y es el ángulo zenital solar.
0I& 0nI&
zθ
Por otro lado, la altura solar determina el camino óptico que recorre la radiación
solar desde la cima de la atmósfera hasta que alcanza la superficie terrestre. Luego, a menores alturas solares mayor será el camino óptico que tiene que atravesar la radiación y, por tanto, se acentuarán más los procesos de atenuación de la radiación por los componentes atmosféricos, como el ozono y los aerosoles.
La evolución anual de la altura solar depende de la geometría Tierra-Sol y de la
latitud del lugar. Por esto, la radiación UV, en los trópicos, es más alta en verano. Por otra parte, la altura solar es la responsable de la evolución diaria que presenta la radiación solar, siendo máxima en las horas centrales del día (cuando esta altura es mayor). Para tener cuantificada la altura solar se usa el parámetro conocido como masa óptica de aire relativa, que se calcula a partir de la ecuación 1.11 propuesta por Kasten and Young (1989).
6364.1-zz )θ-07995.96( 050572.0+θcos
1= m (1.11)
donde es el ángulo zenital del Sol (ángulo complementario de la altura solar). zθ
18
Ozono
l papel que juega el ozono ante la radiación UV es bien conocido (por ejemplo, Palanca
omo se ha comentado en la sección 1.1, el ozono absorbe la totalidad de radiació
O2 + hν O + O (1.1)
stos átomos de oxígeno liberados en combinación con las moléculas de oxígeno
O + O2 + M O3 + M (1.2)
imultáneamente a la formación, el ozono se destruye por dos mecanismos básicos
O3 + O O2 + O2 (1.3)
también puede ser fotodisociado al incidir una radiación UV de longitud de onda en
O3 + hν O2 + O (1.4)
de este ciclo, otro factor que determina la cantidad de ozono en un stant
Er and Toselli, 2004; Mateos et al., 2008a). Se encuentra principalmente entre los
12 y 35km de altitud. El parámetro más usado para medir la cantidad de ozono presente en la atmósfera es la columna total de ozono (TOC), definida como el grosor de la columna vertical de ozono sobre un área si se llevase a condiciones estándar de presión y temperatura (i.e., 0ºC y 1atm). Las unidades naturales de la TOC son atm-cm, pero normalmente se suele expresar en Unidades Dobson (DU), con la equivalencia 1atm-cm = 1000DU.
Cn UVC y, parcialmente, la UVB. Este gas se forma y se destruye mediante una
serie de reacciones fotoquímicas, conocidas como el ciclo de Chapman (Anton, 2007; Salvador, 2007). La formación del ozono ocurre a partir de la fotodisociación del oxígeno molecular por la absorción de radiación UV de longitud de onda inferior a 240nm (ecuación 1.1).
E, en presencia de un catalizador (M, generalmente nitrógeno) que actúa como
receptor de la energía liberada, dan lugar a la formación de ozono (ecuación 1.2).
S. Puede reaccionar con el oxígeno atómico, buscando la configuración estable
(ecuación 1.3).
Otre 200 y 340nm (ecuación 1.4). Pero, el oxígeno atómico tiene un tiempo de
vida muy corto antes de reaccionar con el molecular por medio de la ecuación 1.2. Con lo que el resultado neto de estas reacciones se traduce en una transformación de la radiación ultravioleta incidente en energía calorífica que es absorbida por la estratosfera.
Ademásin e determinado sobre un área, es el transporte de este gas por parte de los vientos estratosféricos, descritos por la circulación de Brewer-Dobson. Estos vientos son debidos a la diferencia de temperatura en la estratosfera (debida, en parte, al aporte de energía explicado en el párrafo anterior). Estos vientos estratosféricos transportan el ozono desde zonas con producción neta (los trópicos, debido a que es la zona donde llega más radiación) a zonas de pérdida neta (los polos, donde las noches duran seis meses y, por lo tanto, prácticamente no existe producción de ozono).
19
Por último, la acción antropogénica también influye en la cantidad de ozono sobre un lugar determinado. La utilización de compuestos CloroFluoroCarbonos (CFC’s), halógenos, pruebas nucleares,… hacen que la destrucción del ozono se acentúe. También existen causas naturales, como erupciones volcánicas, que promueven una destrucción de ozono.
Todo esto ha llevado a observar en las últimas décadas una alarmante disminución en la cantidad total de ozono. De hecho, durante las dos últimas se ha observado un descenso del 3% de forma continuada cada 10 años (WMO, 2003). Que ha tenido como principal consecuencia un aumento en la cantidad de radiación UV en superficie (Madronich et al., 1998). Con lo que ha sido necesario la firma del Convenio de Viena sobre la Protección de la Capa de Ozono (1985) y su Protocolo de Montreal (1987) para conseguir reducciones drásticas en emisión y/o retirada progresiva de CFC’s y halógenos. De acuerdo con los informes más recientes de la WMO y la UNEP sobre Evaluación científica del agotamiento del ozono, la recuperación a largo plazo de la capa de ozono de los efectos provocados por las sustancias que la destruyen no se espera, de seguir cumpliendo el Protocolo de Montreal, hasta bien entrado el s. XXI (WMO, 2008).
Hoy en día existe una gran variedad de instrumentos que proporcionan un valor de la columna total de ozono. Principalmente destacan: el espectrofotómetro Dobson, el espectrorradiométro Brewer, el ozómetro de filtros M-83/124/134, el fotómetro solar manual Microtops-II y las estimaciones satelitales, entre otros. En este trabajo de investigación se usan y comparan los datos proporcionados por el espectrorradiómetro Brewer, el fotómetro solar manual Microtops-II y las estimaciones satelitales proporcionadas por la National Aeronautics and Space Administration (NASA) y por el European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUTMETSAT) y el German Aerospace Center (DLR). En figura 1.3 se muestran fotografías de estos instrumentos. Una descripción más detallada puede encontrarse en el capítulo 2.
Figura 1.2. Fotografías del fotómetro solar manual Microtops-II, del espectrorradiómetro Brewer y del
sensor satelital OMI de la NASA, de izquierda a derecha.
20
Nubosidad
El estudio del efecto de la nubosidad en la radiación UV es complejo debido a la gran variabilidad temporal y espacial de las propiedades de las nubes y a las dificultades de caracterizar sus propiedades ópticas.
Aunque la absorción y dispersión de la radiación solar por las nubes tienen un
importante efecto en la radiación recibida en la superficie terrestre (Barbero et al, 2006), van a tener un efecto menor en la región del UV que en el resto del espectro (visible e infrarrojo) (Foyo-Moreno et al, 2003). Además, el efecto de la nubosidad en el rango del UV es uniforme, es decir, no cambia la distribución espectral (Antón, 2007). Generalmente, la presencia de nubes va a reducir la cantidad de radiación que se recibiría con cielo despejados (Mateos et al., 2008b). Sin embargo, pueden darse valores de irradiancia UV más altos que los que se recibirían con cielos despejados bajo unas determinadas condiciones y durante cortos periodos de tiempo (Estupiñan et al., 1996).
Para cuantificar la cantidad de nubes en un periodo de tiempo fijado se dispone
de dos métodos. El primero, las octas de superficie de esfera celeste cubiertas por nubosidad. Se suelen establecer cuatro grupos: despejados (0 octas), parcialmente nublado (de 1 a 3 octas), nublado (de 4 a 7 octas) y cubierto (8 octas).
A parte de esta observación directa, existe otra variable que permite cuantificar
la presencia de nubes: la transmitancia hemisférica global o índice de claridad global (kt). Y se define según muestra la ecuación 1.6.
t0
Gk =
G (1.6)
donde G es el valor medido de radiación global, y, G0 el valor para la radiación solar
extraterrestre, para el mismo intervalo de tiempo, calculado a partir de la expresión general mostrada en la ecuación 1.7. (Iqbal M. (1983)).
( ) (( )0 SC 0G I Eπ 2 1 2 1
T sinΦ sinδ ω -ω + cosΦ cosδ sinω -sin ω
2= )
+
(1.7)
siendo, ISC la constante solar para la radiación global (1361.1 W m-2, según el
espectro de Gueymard (2004), ver Anexo 2), E0 la corrección a la distancia Tierra-Sol dada por la ecuación 1.8 (Iqbal, 1983), T la duración del día (86400 s) y los ángulos horarios, en radianes, al comienzo y final del intervalo de tiempo considerado, Φ la latitud en radianes y δ la declinación dada por la ecuación 1.9 (Iqbal, 1983).
iω
0E 1.000110 0.034221cos(Γ) 0.001280sin(Γ)
0.000719cos(2Γ) 0.000077sin(2Γ) = + +
+ + (1.8)
21
δ 0.006918 0.399912cos(Γ) 0.070257sin(Γ)0.006758cos(2Γ) 0.000907sin(2Γ)0.002697cos(3Γ) 0.00148sin(3Γ)
= - +- +- +
-- (1.9)
donde Γ representa el ángulo del día, cuya definición se muestra en la ecuación 1.10.
numero de díaΓ 2π
365
= (1.10)
De forma totalmente análoga se define una transmitancia hemisférica global para la región del UVT, ktuv, según se muestra en la ecuación 1.11.
tuv0
UVk =
UV (1.11)
donde UV es el valor medido de radiación ultravioleta, y, UV0 el valor para la
radiación solar extraterrestre, para el mismo intervalo de tiempo, calculado a partir de la expresión general mostrada en la ecuación 1.12. (Iqbal M. (1983)).
( ) ( ) (( )0 SC 0TUV I UV E 2π 2 1 2 1 sinΦ sinδ ω -ω + cosΦ cosδ sinω -sin ω= ( ) ) (1.12)
siendo, ISC(UV) la constante solar para la radiación ultravioleta total (80.83 W m-2,
según el espectro de Gueymard (2004), ver Anexo 2).
Aerosoles
Los aerosoles atmosféricos son partículas y moléculas, en estado sólido o líquido, que se encuentran en suspensión en la atmósfera. Pueden ser de origen natural (esporas, polen, erupciones volcánicas,…) o bien de origen antropogénico (en su mayoría asociados a procesos de combustión).
Los aerosoles se caracterizan según sus propiedades ópticas. El parámetro más usado es el espesor óptico de aerosoles (AOT). Dicho parámetro varía suavemente con la longitud de onda, ajustándose a una función potencial, ecuación 1.13, dada por Ångström (1929, 1964).
AOTλ = β λ-α (1.13)
donde el parámetro β es el parámetro de turbiedad de Ångström y α el exponente de
Ångström. La atenuación que experimenta la radiación UV debido a los aerosoles está estrechamente relacionada con el tamaño y composición de los mismos. De hecho, pueden llegar a reducir la radiación UVB en un 49.8% en un momento dado, e incluso, en un 38% durante todo un día (Palancar, 2003).
22
Figura 1.3. Fotómetro solar CIMEL.
La mayor parte de los aerosoles se concentra en la troposfera, debido a la
abundancia de fuentes de éstos cerca de la superficie. Además, la tropopausa ejerce de barrera térmica e impide la ascensión de aerosoles a la estratosfera. Por lo tanto, diversos estudios sugieren que la incidencia de los aerosoles estratosféricos en la radiación UV es prácticamente despreciable (Brogniez et al., 1999)
Para conocer este espesor óptico de aerosoles se dispone de series de datos de dos instrumentos: un fotómetro CIMEL (ver figura 1.3) y un fotómetro solar manual Microtops-II.
El primero proporciona un valor de este espesor para distintas longitudes de
onda a lo largo de todo el espectro (una descripción más detallada de su funcionamiento puede verse en el capítulo 2), mientras que el segundo únicamente la registra a una longitud de onda de 1020nm. Directamente relacionado con el crecimiento higroscópico de los aerosoles, otro de los factores que tienen influencia sobre la radiación UV que llega a la superficie terrestre es el vapor de agua.
El vapor de agua presenta numerosas bandas de absorción intensas en el infrarrojo (a 1120, 1400 y 1870nm), así como otras bandas importantes en diversas longitudes de onda (a 720, 820, 940 y 2700nm).
Para caracterizar la cantidad de vapor de agua en un instante determinado se utiliza la masa o columna de agua precipitable (w). Se suele expresar en cm. Y se puede obtener de forma experimental, con los fotómetros CIMEL y Microtops-II o con estimaciones satelitales, o bien se puede obtener una aproximación de forma teórica con la fórmula de Won (Iqbal, 1981), ecuación 1.14.
21
43
27325.1013
)05454.02572.2exp(1.0 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
Tptw dp (1.14)
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donde, T es la temperatura en ºC, p la presión de la estación en mb y td la temperatura de rocío. En este trabajo de investigación se va a trabajar con valores diarios. La temperatura de rocío se calcula a partir de la definición de humedad relativa, H%, mostrada en la ecuación 1.15.
H% = s d
s
e t100
e T( )( )
(1.15)
donde es es la tensión de vapor del agua evaluada a partir de la ecuación de la
fórmula de Magnus, ecuación 1.16,
a T
b Ts 0e T D 10
*
** +( ) = (1.16)
donde T* es la temperatura a evaluar (en este caso, la temperatura diaria registrada en la estación C.I.B.A., T, o la incógnita “temperatura de rocío”, td). Los coeficientes toman los valores mostrados en las ecuaciones 1.10 (Campmany, 2005).
D0 = 6.10 hPa a = 7.44 (1.10)
b = 234.07ºC
Esta aproximación teórica será comparada con la obtenida de forma experimental por los instrumentos terrestres que miden esta columna de agua precipitable. Al igual que en el espesor óptico de aerosoles, los instrumentos disponibles son: un fotómetro CIMEL y un fotómetro solar manual Microtops-II. Además de estos instrumentos terrestres, se dispone de una base de datos de dos años, por el momento, de medidas del satélite NOAA-16. Con lo que se podrá establecer una completa comparación entre todas las estimaciones de la columna de agua precipitable.
Aunque no se vayan a tratar en este trabajo de investigación, conviene destacar que existen otros dos factores que tienen especial relevancia en los niveles de radiación UV que alcanzan la superficie: el albedo superficial y la altitud sobre el nivel del mar. Una breve descripción de ambos se encuentra a continuación.
Albedo superficial
El albedo de una superficie se define como el cociente entre la radiación reflejada y la incidente. La influencia que ejerce sobre la radiación UV depende, principalmente, del tipo de superficie, de la rugosidad y de la longitud de onda de la radiación incidente. Por ejemplo, la mayor parte de superficies naturales (tales como hierba, tierra y agua) reflejan menos del 10% de la radiación incidente. Pero otras superficies, como por ejemplo la nieve y la arena, pueden reflejar gran parte de la radiación incidente, con lo que contribuyen de forma notoria a aumentar la radiación difusa y, por tanto, la dosis de radiación UV recibida en la superficie terrestre.
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Altitud sobre el nivel del mar La cantidad de radiación UVT que alcanza la superficie viene influenciada por la
altura sobre el nivel del mar. Esto es debido al menor camino óptico que atraviesa la radiación al ir aumentando la altura sobre el nivel del mar, ya que va a ir sufriendo menos procesos de atenuación por parte de los componentes atmosféricos. La mayor parte de estos componentes, como ya se ha comentado con anterioridad, se encuentran situados cerca de la superficie, luego un aumento de la altitud hace que el número de procesos de absorción y dispersión disminuya notablemente. Esto hace que la radiación pueda aumentar entre un 4 y un 23% por cada kilómetro (Vilaplana, 2004)
1.3. Medida y estimación de la radiación solar UV
La utilización de medidas en superficie permite realizar un estudio detallado de los niveles de intensidad y variabilidad climática de radiación UV que alcanza la superficie.
Ahora bien, una de las grandes dificultades a la hora de trabajar con radiación UV es la escasa cobertura espacial que hay sobre la superficie. Con lo que se necesitan otras formas de poder evaluar la dosis de radiación UV que está llegando a los seres vivos.
Una de las formas más ampliamente utilizadas es la estimación mediante modelos, ya sean modelos de transferencia radiativa o empíricos. Los primeros, mediante la aplicación de leyes físicas logran explicar los distintos procesos de interacción entre la radiación solar UV y los componentes atmosféricos. Su precisión vendrá dada por los parámetros de entrada, ya que necesitan recibir abundante información sobre las distintas variables atmosféricas.
Por el contrario, los modelos empíricos se basan en el ajuste a expresiones matemáticas entre la respuesta de la radiación UV ante variaciones en los principales factores moduladores de dicha radiación. A pesar de obtener relaciones bastante más simplificadas que en los modelos físicos, se obtienen buenos resultados cuando se trata de predecir el comportamiento de la radiación UV en la superficie. El mayor inconveniente que presentan es el carácter local del modelo, ya que no deja de estar generado por una serie de datos de un lugar determinado y, por ejemplo, en lugares con condiciones climáticas distintas no serían muy fiables. Su gran utilidad está ya no sólo en la predicción, sino en la posibilidad que ofrecen de completar lagunas de datos existentes en las estaciones de medida.
Por último, las estimaciones de radiación UV que realizan los sensores abordo de satélites se basan en la medida del espectro de la radiación solar UV dispersada por la atmósfera hacia el espacio en conjunto con alguno de los modelos físicos existentes. La gran ventaja de esta técnica es que la cobertura espacial que ofrece llega a ser a escala global. Mientras que su gran inconveniente se encuentra en que estas estimaciones satelitales de radiación UV son menos representativas de las condiciones locales que las medidas realizadas en la superficie.
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En resumen, con las medidas realizadas por los instrumentos en superficie, con las estimaciones realizadas con los modelos, tanto de transferencia radiativa como empíricos, y mediante las estimaciones realizadas por sensores abordo de satélites se puede llegar a caracterizar la variabilidad espacial y climática de la radiación UV, complementando adecuadamente las tres técnicas de medida.
26
27
Capítulo 2: Instrumentación y medidas A lo largo de este capítulo se describen los sensores de radiación utilizados en este trabajo, que se encuentran instalados en la estación de medida C.I.B.A., así como los diversos instrumentos de los que se obtienen series de datos utilizados en este trabajo (series como la del ozono, del espesor óptico de aerosoles y del vapor de agua). También se detallan los controles de calidad aplicados a las series de datos empleados.
2.1. Estación de medida C.I.B.A. Las medidas radiométricas y meteorológicas utilizadas en este trabajo se han obtenido de la estación incluida en el Centro de Investigación de la Baja Atmósfera (C.I.B.A.). Este complejo fue creado por la Agencia Estatal de la Meteorología (AEMet) y la Universidad de Valladolid. En este centro desarrollan investigaciones distintos grupos, entre ellos el Laboratorio de Atmósfera y Energía, perteneciente al Grupo de Óptica Atmosférica de la Universidad de Valladolid (GOA-UVA).
La estación radiométrica está situada a 41º 49’ N, 4º 56’ W y a 848m de altura sobre el nivel del mar. Se encuentra, aproximadamente, a unos 25km de la ciudad de Valladolid y pertenece al municipio de Villalba de los Alcores. Cuenta con más de 3.3ha de terreno totalmente llano y no presenta problemas de sombras. Dicha estación consta de una amplia gama de sensores. En tabla 2.1 puede verse un cuadro resumen con todos ellos. En la figura 2.1 puede verse una fotografía de la estación solar C.I.B.A. A continuación se detallan los sensores usados en la recogida de datos para este trabajo de investigación. Una descripción más completa puede encontrase en Bilbao et al., (2002).
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Tabla 2.1. Sensores radiométricos y meteorológicos instalados en la estación solar C.I.B.A.
Número Sensor Variable Marca Modelo 1 Piranómetro Global Horizontal Kipp&Zonen CM-11 1 Piranómetro Global inclinada 42º Kipp&Zonen CM-11 1 Piranómetro Difusa Horizontal Kipp&Zonen CM-11 banda sombra1 Piranómetro Difusa inclinada 42º Kipp&Zonen CM-11 banda sombra4 Piranómetro Global vertical Kipp&Zonen CM-6B 1 Albedómetro Global cielo y suelo Kipp&Zonen CM-7B 6 Fotométricos Iluminación LICOR Li-210SA 2 Pirgeómetro Radiación Térmica Eppley PIR 1 Sensor de cuantos P.A.R. LICOR 190-SA 1 Piranómetro UV UVT Eppley TUVR 1 Piranómetro UV UVB Yankee UVB-1 1 Temperatura Temp. y Hum.Relativa Campbell HMP35AC 1 Pluviómetro Precipitación Campbell ARG100 1 Anemómetro Velocidad del viento Vector instruments A100R 1 Veleta Dirección del viento Vector instruments W200P 1 Barómetro Presión Campbell RPT410F
Figura 2.1. Estación solar C.I.B.A.
Figura 2.2. Piranómetro TUVR de EPLAB.
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2.1.1. Piranómetro de radiación solar UVT El radiómetro TUVR es un detector resistente para la medición de la radiación solar UV total (295nm a 385nm), ver figura 2.2.
Este piranómetro utiliza una célula de selenio cerrada herméticamente que está protegida por una ventana de cuarzo. Opera a bajos niveles de luz y en condiciones de mínima corriente de fuga, con el fin de garantizar un alto grado de estabilidad durante largo periodos de exposición. Un difusor de teflón, especialmente diseñado, no sólo ayuda a reducir el flujo radiante a niveles aceptables, sino que también acerca el comportamiento a la ley del coseno de Lambert. Un encapsulado estrecho pasa-banda filtra la respuesta espectral de la fotocélula al intervalo de longitudes de onda 295nm a 385nm, con una transmisión secundaria insignificante.
Las características de este piranómetro se recogen en la tabla 2.2. Se disponen de medidas de este sensor desde febrero de 2001, con un total de
14813 datos horarios y 1503 datos diarios, hasta junio de 2008. Tabla 2.2. Características del piranómetro TUVR de EPLAB.
Rango espectral 295nm a 385nm Rango de temperatura -40ºC a +40ºC
Sensibilidad 150µV/Wm-2 Tiempo de respuesta ms
Dependencia con la temperatura ± 0.3% / °C Linealidad ± 2% de 0 a 70 Wm 2 Impedancia 1500Ω
Dimensiones 146mm de diámetro y 171mm de alto Peso 2.72Kg
2.1.2. Piranómeto de radiación solar global horizontal Para medir la irradiancia solar global en una superficie horizontal se utiliza un piranómetro CM 11 de Kipp&Zonnen, ver figura 2.3. Este sensor cumple con la categoría estándar secundaría ISO 9060 (es la ISO de categoría más alta para un piranómetro).
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Figura 2.3. Piranómetro CM 11.
El piranómetro CM 11 está provisto de un detector térmico. Este tipo de detector responde a la totalidad de energía absorbida y, teóricamente, no es selectivo respecto a la distribución espectral de la radiación, con lo que el detector también es sensible a la longitud de onda infrarroja superior a 3000nm (radiación térmica). La energía recibida es absorbida por un disco cerámico negro (Al2O3). El calor generado fluye a través de una resistencia térmica hacia el interior del piranómetro. La diferencia de temperaturas entre el disco y el cuerpo del piranómetro se convierte en una diferencia de potencial que es la señal de salida del sensor.
Figura 2.4. Esquema del piranómetro CM 11 de Kipp&Zonen
El detector está blindado con dos cúpulas concéntricas de vidrio para evitar los cambios de temperatura debidos al viento, a la lluvia y a las pérdidas de radiación con el ambiente (“cielo frío”). Estas cúpulas transmiten la componente directa de la radiación solar en cualquier posición del Sol. El piranómetro lleva incorporados una pantalla blanca para evitar su calentamiento y un desecante para evitar condensaciones en el interior de las cúpulas que pudiesen falsear las medidas o, incluso, dañar el detector. En la figura 2.4 se puede ver un esquema con los componentes principales de este sensor.
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En la tabla 2.3 se recogen las principales características de este piranómetro de radiación solar global. Se disponen de datos de radiación solar global horizontal desde noviembre de 2000 hasta junio de 2008. Resultando un total de 25793 datos horarios y 2548 datos diarios. Tabla 2.3. Características del piranómetro CM 11 de Kipp&Zonen.
Rango espectral 305nm a 2800nm Rango de temperatura -40°C a +80°C
Sensibilidad 4 a 6 μV W-1 m2 Estabilidad <0.5% F.S./Año
Tiempo de respuesta <15s Error direccional (radiación de 1000 Wm-2) <10Wm-2
Irradiancia máxima 4000Wm-2 Selectividad Espectral ± 2% (0.35μm a 1.5μm)
Dimensiones 150mm x 95mm Peso 830g
2.1.3. Sonda de temperatura y humedad relativa Las medidas de temperatura y humedad relativa se realizan con la sonda HMP35AC de Campbell Scientific, situada en una torre a 1.5m de altura del suelo.
Esta sonda contiene el sensor de humedad relativa HUMICAP de Vaisala (que presenta una alta precisión, baja histéresis y es insensible al polvo). Sus principales características se recogen en la tabla 2.4. Tabla 2.4. Características del sensor de humedad relativa HUMICAP de Vaisala.
Rango de operación 0% a 100% Rango de temperatura -20°C a +60°C
Voltaje de salida en CC 0.002V a 1V Precisión
0% a 90% 90% a 100%
± 2% ± 3%
Dependencia con la temperatura 0.04% /ºC
32
Tabla 2.5. Características del sensor de temperatura PT1000.
Rango de operación 0.8% a 100% Rango de temperatura -40°C a +60°C
Voltaje de salida en CC 0V a 1V Precisión
En el rango de medida En torno a 20ºC
<0.5ºC <0.2ºC
Dependencia con la temperatura 0.05% /ºC Para la medida de la temperatura, la sonda dispone un sensor de precisión
PT1000. Las principales características de este sensor se recogen en la Tabla 2.5.
La sonda se encuentra en el interior de un protector frente a la radiación 41004-5 de Campbell Scientific, que evita su calentamiento ante la exposición directa al Sol. Esta sonda empezó a funcionar en la estación C.I.B.A. en julio de 2000.
2.1.4. Sensor de presión Los registros de presión se realizan con el sensor barométrico RPT410F de la casa Campbell Scientific, ver figura 2.5. Este sensor utiliza un transductor de presión de silicio resonante desarrollado por Druck. El sensor se compone de dos elementos, uno que actúa como un diafragma sensible a la presión y el otro actúa como un resonador. Las variaciones de presión desvían la sensibilidad del diafragma y provocan cambios en la frecuencia resonante del sensor. Se mide esta frecuencia resonante, corrigiendo los efectos de la temperatura y la no linealidad, resultando como señal de salida una señal en frecuencia. En la tabla 2.6 pueden verse las principales características de este sensor. Se disponen de datos de este sensor barométrico desde julio de 2002.
Figura 2.5. Sensor barométrico RPT410F de la casa Campbell Scientific.
33
Tabla 2.6. Características del sensor barométrico RPT410F de la casa Campbell Scientific.
Rango de operación 600mB a 1100mB Rango de temperatura -40°C a +60°C
Precisión: +20°C
-10°C a +50°C -20°C a +60°C
-40° a +60°C
± 0.3mB ± 0.5mB ± 1.5mB ± 2mB
Estabilidad 0.01% F.S./Año Sobrepresión límite 1500mB Absolutos Salida en frecuencia 600Hz a 1100Hz
Tensión de alimentación 9.5V a 24V DC Dimensiones 60mm x 60mm x 29mm
Peso 125g
2.1.5. Sistema de adquisición de datos Un sistema de adquisición de datos o datalogger se define como un instrumento electrónico y autónomo cuya función es el control y registro de una o varias variables, cada cierto intervalo de tiempo, en un proceso de toma de datos. Los sensores de la estación C.I.B.A. están conectados a dos Datalogger Campbell Scientific CR23X (ver figura 2.6). Estos dataloggers están programados para registrar las señales de los sensores de la estación cada 10 segundos. Posteriormente, estos valores son promediados y almacenados en memoria cada 10 minutos. En la tabla 2.7 se pueden ver sus principales características.
Figura 2.6. Datalogger CM23X de Campbell Scientific.
34
Tabla 2.7. Características del datalogger CR23X de la casa Campbell Scientific.
Canales de entrada analógica 24 simples o 12 diferenciales Rango de temperatura -25°C a +50°C
Resolución de la señales analógicas de salida 333μV Voltaje 11 a 16 Vdc
Dimensiones 241mm x 178mm x 96mm
2.1.6. Control de calidad de los datos de la estación C.I.B.A. De la amplia gama de sensores presente en la estación C.I.B.A., en este trabajo de investigación se han usado datos de irradiación global horizontal, irradiación UVT, temperatura, humedad relativa y presión. Para trabajar con estos datos, es necesario aplicar unos controles de calidad (Salvador, 2007; Bilbao et al., 2004; Miguel et al., 2001) que se detallan a continuación.
Como ya se ha comentado, los datalogger almacenan datos cada 10 minutos (valores de irradiancia en W m-2). Para que la comparación entre las medidas de radiación global y de radiación UVT se realice bajo las condiciones adecuadas, no deben de existir diferencias en las respuestas coseno de los instrumentos empleados. Para evitar este problema, el estudio se reduce a los valores horarios y diarios, generados a partir los registros de 10 minutos del datalogger. En este mismo sentido, estas posibles diferencias en la respuesta coseno introducen un umbral para la elevación solar, limitándose entonces a elevaciones superiores a 10º.
El primer paso, en el control de calidad de los datos, es el cálculo de los valores horarios. Para las variables meteorológicas como la temperatura, la humedad relativa o la presión, basta con calcular el promedio de las 6 medidas correspondientes a esa hora. Si durante este cálculo, alguno de los datos de 10 minutos supera los límites que se detallan en las ecuaciones 2.1, el dato horario quedaría eliminado.
-20ºC ≤ T ≤ 50ºC
0% ≤ HR(%) ≤ 100% (2.1)
P > 0
Mientras que, para las variables radiométricas, los datos horarios se construyen
como la suma de los datos de 10 minutos (irradiancia, en W m-2), y para operar en el sistema internacional, se multiplica por 0.6 para obtener los valores horarios de irradiación en kJ m-2. A los datos horarios se les asigna el punto medio del intervalo horario, es decir, las horas y media. Por ejemplo, los datos horarios correspondientes al intervalo de 12:00 a 13:00 horas, se les asigna la hora 12:30. De hecho, la masa óptica (ecuación 1.11), asignada a los valores horarios, se calcula sobre esta hora.
35
Si durante este proceso, en alguna hora, falta algún dato de 10 minutos se procede a eliminar el dato horario. Por último, también se elimina si el resultado de los valores horarios de irradiación supera en 1.1 veces al correspondiente valor de la radiación solar extraterrestre en el punto medio del intervalo (las horas y media). Esta radiación se calcula mediante las expresiones 1.7 o 1.9, bien se trabaje con radiación global o con radiación UVT, respectivamente. Los datos diarios de las variables meteorológicas se calculan realizando el promedio de las medidas registradas durante el día. Los valores diarios de las variables radiométricas se obtienen sumando los valores de 10 minutos, incluyendo las horas incompletas, para considerar la irradiancia medida en las horas extremas del día. Para obtener los valores diarios en unidades de irradiación, el resultado obtenido se multiplica por 0.6 para convertirlo a kJ m-2. A continuación, se comprueba que el dato horario no sea superior en 1.1 veces al valor extraterrestre. Para calcular este valor, se vuelve a hacer uso de las ecuaciones 1.7 o 1.9, para radiación global o UVT, respectivamente; siendo ahora el ángulo horario del inicio del intervalo el ángulo de salida del Sol y el del final, el del ocaso.
2.2. Fotómetro Microtops-II El Microtops-II, de Solar Light Company., Inc (User’s Guide Microtops-II), es un fotómetro solar manual multibanda capaz de medir la columna total de ozono, la columna de vapor de agua y el espesor óptico de aerosoles a 1020nm. Una fotografía del Microtops-II se pudo ver en la figura 1.3.
Este instrumento está equipado con cinco colimadores ópticos alineados con precisión, con un campo visual total de 2.5º. Posee también bafles integrados, para eliminar las reflexiones internas. Cada canal está sujeto a un filtro de interferencia de banda estrecha y a un fotodiodo conveniente para el rango de la longitud de onda discreta. Para conseguir una mayor estabilidad, los colimadores están encapsulados en un bloque óptico de aluminio. A este bloque están unidos una diana solar y un marcador.
Un láser alineador permite asegurar una alineación exacta con los canales
ópticos. Cuando la imagen del Sol se centra en la diana, todos los canales ópticos están orientados directamente al disco solar. Se captura una pequeña cantidad de radiación circunsolar, pero apenas contribuye a la señal.
Una vez que la radiación es capturada y filtrada incide sobre los fotodiodos,
produciendo una corriente eléctrica proporcional a la energía interceptada por éstos. Esta señal se amplifica y se convierte a una señal digital en un convertidor A/D de alta resolución. Las señales de los fotodiodos son procesadas en serie. Sin embargo, a una velocidad de veinte conversiones por segundo, los resultados pueden ser tratados como si los fotodiodos fuesen leídos simultáneamente.
36
Dentro de la banda del UV, el ozono es un mejor absorbente de las longitudes de onda más cortas que de las largas. Luego la cantidad de ozono entre el Sol y el observador va a ser proporcional a la razón de dos longitudes de onda de la radiación ultravioleta solar. El Microtops-II usa esta característica para calcular la columna total de ozono a partir de las medidas de dos longitudes de onda dentro de la región del UV. Basándose en el instrumento Dobson tradicional, una tercera longitud de onda permite efectuar las correcciones debidas a la dispersión por partículas y a la difusión de la luz.
La columna de agua precipitable (w) se determina a partir de las medidas
realizadas a 936nm (máxima absorción por el agua) y a 1020nm (débil absorción de agua).
Un sensor barométrico instalado en equipo proporciona la información
necesaria para realizar la compensación por dispersión Rayleigh al medir el espesor óptico y el ozono. También la distancia Tierra-Sol se corrige automáticamente gracias a un reloj interno que mantiene la hora universal. El espesor óptico de aerosoles a 1020nm se calcula a partir de la radiación extraterrestre y de la medida realizada en la superficie a esa longitud de onda.
Las especificaciones del Microtops-II pueden encontrarse en la tabla 2.8.
La base de datos que se dispone de este instrumento comienza en agosto de 2007. Y hasta junio de 2008, se disponen de 134 datos diarios de TOC, columna de vapor de agua y espesor óptico de aerosoles a 1020nm. Tabla 2.8. Especificaciones del Microtops-II de Solar Light Company., Inc.
Canales ópticos
305.0 ± 0.3nm 312.5 ± 0.3nm 320.5 ± 0.3nm 936 ± 1.5nm
1020 ± 1.5nm
Máxima sensibilidad fuera de banda, relacionada con el pico de transmisión
305.0nm: 10-7 312.5nm: 10-6 320.5nm: 10-5
936 y 1020nm: 10-4 Campo visual 2.5º
Rango dinámico >3 105 Precisión 1-2%
No linealidad Máximo 0.002% Rango de Temperatura 0-50ºC
Condiciones meteorológicas Sin precipitación Capacidad de almacenamiento 800 medidas
Dimensiones 100mm x 200mm x 43mm Peso 600g
37
2.3. Fotómetro CIMEL Las medidas de columna de vapor de agua y espesor óptico de aerosoles se han
tomado de un fotómetro CIMEL en la ciudad de Palencia, el cual pertenece a la red mundial Aerosol Robotic Network (AERONET). Esta estación está gestionada por el Grupo de Óptica Atmosférica de la Universidad de Valladolid (Cachorro, 2003).
Una fotografía de este fotómetro se pudo ver en la figura 1.3. Se han utilizado los datos de espesor óptico de aerosoles, a 870 y 1020nm, y los
valores de la columna de vapor de agua (w). Dichas medidas se pueden tomar como referencia para estos parámetros a la vista de los buenos resultados obtenidos en comparaciones realizadas entre el CIMEL con otros sistemas de medidas como GPS y radiosondeos (Torres, 2007).
Se dispone de una base de datos desde el año 2003, siendo los datos accesibles al
público en general a través de la web http://aeronet.gsfc.nasa.gov/. Hay 1298 datos diarios, hasta junio de 2008, de la columna del vapor de agua y del espesor óptico de aerosoles a distintas longitudes de onda.
2.4. Espectrorradiómetro Brewer El Brewer, ver figura 1.2 del capítulo anterior, es un espectrorradiómetro de alta
resolución espectral. Debido a su alto coste y gran complejidad de mantenimiento, la mayoría de estaciones no incluyen un Brewer en sus equipamientos. Este tipo de instrumentos está diseñado para la medida de irradiancia UV espectral, así como de la columna total de ozono y del contenido de diversos gases atmosféricos (Antón, 2007).
La Agencia Estatal de la Meteorología (AEMet) dispone de cinco de estos
espectrorradiómetros distribuidos por la geografía española. El más cercano a la estación C.I.B.A. es el situado en la ciudad de Madrid.
Se dispone de una serie de datos de la columna total de ozono sobre Madrid
desde 1997 hasta enero de 2008, con un total de 3806 datos diarios de TOC.
2.5. Estimaciones de satélites de la Columna Total de Ozono A parte de las medidas del espectrorradiómetro Brewer y del ozómetro
Microtops-II, en este trabajo de investigación se utilizan las estimaciones que realizan los sensores abordo de satélites de la TOC. Se han utilizado las estimaciones que proporciona la NASA y la proporcionada por el EUTMETSAT y el DLR.
38
2.5.1. Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) / NASA El instrumento TOMS proporciona datos diarios de la TOC que son publicados
en la NASA vía web, http://macuv.gsfc.nasa.gov/, siendo además de libre acceso para toda la comunidad científica.
La fiabilidad de este instrumento ha sido probada por diversos autores (Mateos
et al., 2008a; Gogosheva et al., 2008; Gómez et al., 2007; Ialongo et al., 2007; Lam et al., 2002).
Este instrumento fue lanzado al espacio en 1978 y ha estado operativo, abordo
de diversos satélites, hasta diciembre de 2005. A partir de esta fecha ha sido relevado por el Ozone Monitoring Instrument (OMI), el cual se encuentra abordo del satélite EOS-Aura desde enero de 2004.
La resolución espacial ha ido mejorando con el paso de tiempo, actualmente, se
ofrece una resolución de 0.25º de latitud por 0.25º de longitud. Para calcular la columna de ozono sobre la estación C.I.B.A. se realiza una interpolación lineal de doble entrada con los cuatro puntos más cercanos a nuestra estación.
Se dispone de una base de datos diarios de TOC desde noviembre de 1978.
Hasta junio de 2008, se disponen de 9033 datos.
2.5.2. Gobal Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) El instrumento de satélite de nueva generación GOME-2 se encuentra abordo del
satélite europeo MetOp-A (Meteorological Operational satellite program), que se lanzó al espacio en octubre de 2006. Este sensor continua con las medidas de ozono iniciadas por los sensores GOME/ERS-2 y SCYAMACHY/Envisat, mejorando la resolución espacial y temporal de ambos. La resolución espacial del GOME-2 es, actualmente, de 80km x 40km.
En este trabajo de investigación se trabaja con los datos del Nivel 4. Existiendo
una base de datos desde julio de 2007 a enero de 2008. Resultando un total de 215 datos, que se han descargado mediante la página web http://wdc.dlr.de/sensors/gome2/, de acceso gratuito a todo usuario.
Posteriormente a este trabajo y, siguiendo las últimas recomendaciones del
personal del DLR (agradecimiento especial a Diego Loyola y Thilo Erbertseder), se cambiará esta base de datos por la del Nivel 3, que es en la que se está trabajando para conseguir unos óptimos resultados.
39
2.6. Estimación de satélite de la columna de agua precipitable: NOAA-16 Gracias al personal del DLR (especialmente a Marion Schroedter-Homscheidt)
se ha accedido a dos años de medidas (2003 y 2004) de la columna de agua precipitable del satélite NOAA 16, a través del sensor ATOVS. Se disponen de 529 datos diarios de la columna de agua precipitable.
A partir de 2005, el sensor ATOVS empezó a ser procesado en el satélite MetOp
por el EUMETSAT. Uno de los objetivos tras la finalización de este trabajo, es el de obtener una base de datos más completa de las estimaciones de los sensores de satélites de la columna de agua precipitable.
2.7. Datos de altura geopotencial a 200mb Los datos de altura geopotencial a 200mb (GHT a 200mb) usados en este trabajo
son los valores medios mensuales del reanálisis del Nacional Centers for Environmental Prediction (NCEP).
Estos promedios mensuales han sido descargados desde la web
http://www.cdc.noaa.gov/PublicData/. Tienen una resolución espacial de 2.5º por 2.5º en latitud-longitud. Para conseguir los datos sobre el C.I.B.A. se realiza una interpolación de doble entrada con las coordenadas de la estación.
Se dispone de una serie de datos desde enero de 1978 hasta junio de 2008. En
total hay 366 promedios mensuales.
40
2.8. Base de datos disponible A modo de resumen, en la tabla 2.9 se puede ver el conjunto de datos de los que se disponen para realizar este trabajo de investigación. Tabla 2.9. Sensores radiométricos y meteorológicos instalados en la estación solar C.I.B.A.
Instrumento Periodo de medidas disponible Variables Tipo de datos Número de
datos CM-11 Nov 2000 a Jun 2008 Global Horarios 25793 CM-11 Nov 2000 a Jun 2008 Global Diarios 2548 TUVR Feb 2000 a Jun 2008 UVT Horarios 14813 TUVR Feb 2000 a Jun 2008 UVT Diarios 1503
Microtops-II Ago 2007 a Jun 2008 TOC
w AOT1020
Diarios 134
CIMEL (AERONET) Ene 2003 a Jun 2008 W
AOT870 AOT1020
Diarios 1298
Brewer (AEMet) Enero 1997 a Ene 2008 TOC Diarios 3806 TOMS/OMI (NASA) Nov 1978 a Jun 2008 TOC Diarios 9033
GOME-2 (EUMETSAT) Jul 2007 a Ene 2008 TOC Diarios 215
ATOVS (DLR) Ene 2003 a Dic 2004 w Diarios 529
NCEP Ene 1978 a Jun 2008 GHT a 200mb
Medias mensuales 366
41
Capítulo 3: Análisis estadístico de la radiación solar En este capítulo se pretende analizar el comportamiento de la radiación solar global horizontal (305-2800nm), así como de la radiación solar ultravioleta total horizontal (295-385nm) y de la relación existente entre ambas, a través de las medidas registradas en la estación radiométrica.
3.1. Radiación solar global horizontal
3.1.1. Evolución temporal de la radiación solar global horizontal. El primer paso para realizar el estudio, consiste en representar la evolución temporal para la radiación solar global horizontal (G) a lo largo de todo el periodo de medida. En la figura 3.1 pueden verse los valores diarios junto con la evolución de los valores medios mensuales de esta radiación desde noviembre del año 2000 hasta junio de 2008. Las zonas en blanco son los periodos en los que el sensor de medida estaba averiado o en campañas de calibración. En la figura puede apreciarse como la altura de los máximos y mínimos mensuales es prácticamente constante durante los años de medida.
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2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Fecha
0
10
20
30
40
Irra
diac
ión
Glo
bal (
MJ
m-2
)
Valores diariosMedias Mensuales
Figura 3.1. Evolución temporal de los valores diarios (puntos) y de los valores medios mensuales (línea continua) de radiación solar global G (MJ m-2) registrados en la estación radiométrica del C.I.B.A. desde
noviembre de 2000 hasta junio de 2008.
Como cabía esperar, la radiación solar global horizontal sigue un patrón sinusoidal con máximos en los meses de verano y mínimos en invierno. Para entender el principal motivo de este comportamiento, no hay más que analizar la evolución a lo largo del año de la altura solar (figura 3.2). A mayor altura solar, el recorrido que realizan los rayos del Sol disminuye, resultando los valores máximos de radiación en superficie.
0 100 200 300Día del año
0
20
40
60
80
Elev
ació
n So
lar y
Áng
ulo
Zeni
tal (
º)
Altura solarÁngulo cenital
Figura 3.2. Evolución anual de la elevación solar (línea continua) y del ángulo cenital (línea discontinua)
para las coordenadas geográficas del C.I.B.A.
43
3.1.2. Estudio estadístico de valores horarios de radiación solar global horizontal. Para completar el estudio sobre la radiación solar global horizontal se van a
analizar los datos horarios y diarios de esta radiación mediante el cálculo de los siguientes parámetros estadísticos: número de datos (n), media aritmética (m), mediana (md), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV), mínimo (min), máximo (max), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), rango intercuartil (RIC), coeficiente de variación intercuartil (CVi), sesgo (g), curtosis (k), percentil 5% (P5) y percentil 95% (P95). En el Anexo 1 puede encontrarse una definición detallada de cada uno de estos parámetros.
Para los datos horarios, se calculan estos parámetros para cada hora del día durante los doce meses del año. Por ejemplo, en la Tabla 3.1 se encuentran los resultados para los meses de julio durante el periodo noviembre 2000 a junio 2008. Tras un análisis exhaustivo de los mismos, se puede deducir que:
Los valores horarios son más altos en los meses de verano que en los meses de
invierno, como ya se había demostrado anteriormente. En todo el periodo de medida, el valor máximo horario es de 3.995 MJ m-2, y
ocurre el 20 de mayo de 2008 de 12 a 13 horas GMT. Por el contrario, el valor mínimo, 7.68 kJ m-2, se da el 2 de julio de 2001 de 17 a 18 horas GMT. Cabe destacar este dato se corresponde con una fuerte tormenta en la que se llegó a registrar un descenso de temperatura de 8ºC en una hora.
Las diferencia entre el primer cuartil y el mínimo absoluto son muy elevadas. Aun así, se puede observar como estas diferencias aumentan en los meses de verano (llegan al 13397% en julio de 17 a 18h), y son menores en los meses de invierno (el mínimo ocurre en enero de 13 a 14h con un 144%). Igual ocurre con las diferencias entre el percentil 5% y el mínimo absoluto (oscilan entre el 34% en enero de 15 a 16h y el 4708% en julio de 17 a 18h). Con lo que se puede concluir que los mínimos no son representativos de la radiación solar global horizontal horaria.
Analizando ahora las diferencias entre los máximos absolutos con el tercer cuartil, Q3, se encuentran diferencias bastante menores. El rango de variación se encuentra entre el 3.40% en junio de 13 a 14h y el 45.49% en enero de 9 a 10h. Al contrario que en el caso anterior, los meses de verano son los que presentan las menores diferencias. Lo mismo ocurre con las diferencias entre el percentil 95% y el máximo absoluto, que además, son siempre menores del 20%. Por lo que, se puede concluir que, los valores máximos son representativos de la radiación solar global horizontal horaria.
Los valores de la mediana son elevados, estando siempre próximos al valor promedio. Se observan, por lo general, diferencias más bajas en los meses de otoño-invierno que en los meses de primavera-verano.
Es también reseñable que, prácticamente todo el año presenta un sesgo negativo (la mediana es superior a la media aritmética). Únicamente el mes de enero presenta, en todos sus tramos horarios, un sesgo positivo. El resto de meses de otoño-invierno, en las primeras horas del día también presentan este signo.
La estabilidad de los datos se puede estudiar con el coeficiente de variación (CV) y con el coeficiente de variación intercuartil (V). Puede verse como la estabilidad aumenta en torno a las horas centrales del día. Además, se nota una variación estacional, ya que los meses de verano presentan menores valores de estos parámetros, con lo que son los meses de mayor estabilidad.
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Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMes
0
10
20
30
40
Irra
diac
ión
Glo
bal (
MJ
m-2
)
mmdP95
maxP5
min
Figura 3.3. Evolución mensual de los parámetros estadísticos media (m), mediana (md), percentil 95% (P95), máximo (max), percentil 5% (P5) y mínimo (min) de la irradiación global diaria registrada en la
estación C.I.B.A. desde febrero 2001 a junio 2008.
3.1.3. Estudio estadístico de valores diarios de radiación solar global horizontal. Se calculan los parámetros antes mencionados para todo el periodo de medida,
considerando un día promedio para cada uno de los meses. Toda la información está recogida en la Tabla 3.2. A la vista de estos resultados puede deducirse lo siguiente:
El valor diario promedio más alto se da en el mes de julio, mientras que el más
bajo tiene lugar en diciembre (como puede verse en la figura 3.3). El valor máximo diario de radiación en el periodo de medidas se alcanza el 28
de junio de 2008 con 31.92 MJ m-2. Mientras que el mínimo absoluto, con 0.42 MJ m-2, se dio lugar el 24 de noviembre de 2000.
Al igual que ocurría con los valores horarios, las diferencias entre los mínimos absolutos y los percentiles P5 son más elevadas que las que se obtienen entre los máximos y los percentiles P95 (tal y como puede verse en la figura 3.3). Las primeras oscilan entre el 40.0% en enero y el 425.9% de noviembre. Mientras que las segundas, se mantienen en unos niveles aceptables durante todo el año, existiendo una gran cantidad de meses con diferencias menores del 10%, llegando a ser, en julio, de sólo el 1.6%. Con lo que los mínimos no son representativos de la radiación global, pero los máximos absolutos sí.
Los valores de la mediana y del valor promedio siguen siendo similares (como puede comprobarse en la figura 3.3). Ahora bien, sólo el mes de enero y todo el periodo en conjunto presentan un sesgo positivo.
En lo referente al análisis de la estabilidad, los valores más bajos del coeficiente intercuartil se vuelven a alcanzar en los meses de verano (llegando a estar por debajo del 10% en julio y agosto).
45
46
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMes
0
2
4
6
Irra
diac
ión
Glo
bal A
cum
ulad
a (G
J m
-2)
Figura 3.4. Radiación solar global horizontal acumulada durante un año promedio en el C.I.B.A.,
Valladolid (en GJ m-2).
Por último, se han estudiado los valores acumulados de radiación solar global horizontal. Para ello, con los datos diarios promedio para cada mes, se ha calculado la radiación solar global horizontal acumulada recibida durante un año promedio. Se ha obtenido un valor de 5.8 GJ m-2. La evolución anual de esta radiación acumulada puede verse en la figura 3.4.
Tabla 3.1. Número de datos(n), media aritmética (m), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en tanto por uno), máximo (max), mínimo (min), mediana (md), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), rango intercuartil (RIC), coeficiente de variación intercuartil (V, en tanto por uno), percentil 5% (P5), percentil 95% (P95), sesgo (g, adimensional) y curtosis (k, adimensional) para cada hora, de radiación solar global en los meses de julio comprendidos entre el periodo desde noviembre de 2000 a junio de 2008 en el C.I.B.A. Las unidades de los parámetros son MJ m-2, excepto de las indicadas entre paréntesis.
hora n m SD CV max min md Q1 Q3 RIC V P5 P95 g k 6-7 205 0.67 0.17 0.25 0.95 0.09 0.71 0.59 0.79 0.20 0.14 0.34 0.88 -1.09 1.247-8 205 1.36 0.22 0.16 1.65 0.33 1.42 1.30 1.49 0.19 0.07 0.86 1.58 -1.98 4.708-9 205 1.98 0.32 0.16 2.32 0.58 2.08 1.97 2.15 0.19 0.05 1.21 2.24 -2.32 5.41
9-10 204 2.52 0.36 0.14 2.84 0.65 2.65 2.47 2.72 0.25 0.05 1.74 2.80 -2.60 7.8910-11 204 2.91 0.43 0.15 3.52 0.55 3.07 2.91 3.15 0.24 0.04 2.08 3.23 -2.70 8.6111-12 205 3.17 0.43 0.14 3.56 0.78 3.34 3.18 3.40 0.23 0.03 2.17 3.48 -2.76 8.4512-13 205 3.23 0.44 0.14 3.73 0.75 3.40 3.21 3.47 0.27 0.04 2.25 3.54 -2.52 7.3713-14 205 3.07 0.47 0.15 3.49 1.09 3.26 3.01 3.35 0.34 0.05 2.03 3.41 -2.29 5.2814-15 205 2.74 0.54 0.20 3.15 0.48 2.98 2.68 3.04 0.36 0.06 1.19 3.09 -2.39 5.3115-16 205 2.28 0.52 0.23 2.73 0.42 2.50 2.24 2.57 0.33 0.07 0.98 2.64 -2.07 3.6316-17 205 1.73 0.41 0.24 2.11 0.06 1.90 1.68 1.97 0.29 0.08 0.66 2.05 -2.04 3.5817-18 205 1.10 0.31 0.28 1.59 0.01 1.22 1.04 1.28 0.25 0.11 0.37 1.37 -1.89 3.3518-19 205 0.50 0.15 0.30 0.81 0.02 0.54 0.44 0.61 0.17 0.16 0.17 0.67 -1.27 1.54
47
Tabla 3.2. Número de datos(n), media aritmética (m), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en tanto por uno), máximo (max), mínimo (min), mediana (md), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), rango intercuartil (RIC), coeficiente de variación intercuartil (V, en tanto por uno), percentil 5% (P5), percentil 95% (P95), sesgo (g, adimensional) y curtosis (k, adimensional) para los datos diarios de radiación solar global horizontal durante el periodo noviembre 2000 - junio 2008 en el C.I.B.A. Las unidades de los parámetros son MJ m-2, excepto de las que se ha indicado entre paréntesis.
Mes n m SD CV max min md Q1 Q3 RIC V P5 P95 g k
Enero 199 5.93 2.80 47.25 12.18 1.53 5.94 3.47 7.96 4.48 39.23 2.14 10.83 0.31 -0.94Febrero 197 9.68 3.59 37.12 17.66 1.99 10.18 6.97 12.74 5.78 29.31 3.69 14.28 -0.30 -1.02Marzo 244 14.34 4.77 33.25 23.52 2.71 14.92 10.83 18.16 7.33 25.27 5.34 20.54 -0.47 -0.67Abril 214 19.52 5.51 28.24 28.29 5.16 20.35 15.39 24.21 8.82 22.28 9.37 26.54 -0.58 -0.55Mayo 217 22.73 6.19 27.23 31.31 3.36 23.78 18.89 28.28 9.39 19.91 10.84 29.89 -0.79 -0.06Junio 210 26.84 4.55 16.95 31.92 8.34 28.45 24.51 30.30 5.79 10.57 17.76 31.32 -1.31 1.39 Julio 205 27.19 3.68 13.54 31.18 12.86 28.42 26.00 29.61 3.61 6.49 19.47 30.67 -1.80 3.33
Agosto 204 23.45 4.19 17.86 29.11 8.89 24.54 21.81 26.28 4.48 9.31 14.79 28.46 -1.31 1.53 Septiembre 199 17.79 4.34 24.40 23.86 3.92 19.15 15.64 20.69 5.05 13.90 8.75 22.85 -1.12 0.85
Octubre 217 10.45 4.28 40.99 19.49 1.56 10.42 7.26 13.79 6.53 31.03 3.62 17.06 -0.03 -0.89Noviembre 234 7.13 3.14 44.00 13.33 0.42 7.18 4.57 9.65 5.08 35.75 2.20 12.12 -0.07 -1.02Diciembre 208 5.43 2.32 42.69 9.26 1.03 5.68 3.31 7.51 4.20 38.80 1.80 8.70 -0.16 -1.26
Total Periodo 2548 15.82 8.81 55.72 31.92 0.42 15.05 7.99 23.77 15.78 49.69 3.10 29.81 0.15 -1.27
48
3.2. Radiación solar ultravioleta total horizontal.
3.2.1. Evolución temporal de la radiación solar ultravioleta total horizontal. Se siguen los mismos pasos que con la radiación solar global horizontal. En la figura 3.5 pueden verse los valores diarios junto con la evolución de los valores medios mensuales de la radiación solar ultravioleta total (UVT) desde febrero del año 2001 hasta junio de 2008. Las zonas en blanco son los periodos en los que el sensor de medida estaba averiado o en campañas de calibración. Al igual que la radiación solar global horizontal, sigue un patrón sinusoidal con máximos en los meses de verano y mínimos en invierno (recordar la figura 3.2).
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Fecha
0
400
800
1200
1600
Irra
diac
ión
UV
T di
aria
(kJ m
-2)
Valores diariosMedias Mensuales
Figura 3.5. Evolución temporal de los valores diarios (puntos) y de los valores medios mensuales (línea
continua) de radiación solar UVT (kJ m-2) registrados en la estación radiométrica del C.I.B.A. desde febrero de 2001 hasta junio de 2008.
3.2.2. Estudio estadístico de valores horarios de radiación solar ultravioleta total horizontal.
Se realiza un estudio estadístico de los valores horarios de radiación UVT. Se calculan los parámetros estadísticos mencionados en el apartado anterior para todos los meses de año. Como ejemplo, se presenta la información obtenida para los meses de julio en la Tabla 3.3. De dicha tabla pueden extraerse las siguientes conclusiones:
Al igual que ocurre con la radiación solar global horizontal, los valores horarios son más altos en los meses de verano que en los meses de invierno, tal y como ya se ha demostrado anteriormente.
El valor máximo horario registrado es de 174.50 kJ m-2, y ocurre el 3 de junio de 2008 de 12 a 13 horas GMT.
49
Por el contrario, el 2 de julio de 2001 de 17 a 18 horas GMT, se registró el valor horario mínimo con sólo 0.71 kJ m-2 (debido a la fuerte tormenta comentada).
Se vuelve a encontrar que los mínimos no son representativos, dadas las grandes diferencias existentes entre éstos y el primer cuartil y el percentil 5%. En el caso de estas últimas, oscilan entre el 25% en el mes de abril de 6 a 7h hasta el 3349% en el mes de julio de 13 a 14h.
Resultado totalmente contrario se vuelve a encontrar para los máximos. Las diferencias entre los máximos horarios con los cuartiles terceros y los percentiles 95%, se vuelven a encontrar diferencias bastante menores. La menor diferencia con los Q3 se da en el mes de julio con un 6%, corroborando que estas diferencias son menores para los meses de verano, ya que la más alta se registra en el mes de febrero con un 25%.
Los valores de la mediana son siempre próximos al valor promedio. Nunca se supera el 15% de diferencia. Al igual que ocurrió con los datos horarios de radiación solar global horizontal, se observa que las diferencias más bajas ocurren, generalmente, en los meses de otoño-invierno.
Sólo enero, febrero y septiembre presentan algunos tramos horarios con un sesgo positivo, el resto del año es negativo.
Los valores del coeficiente de variación y del coeficiente intercuartil, que reflejan la estabilidad de los datos, presentan los valores más bajos en los meses de verano. Con lo que se vuelve a encontrar que estos meses son los más estables. Es destacable, que durante los meses de verano, las horas centrales del día presentan una mayor estabilidad. Para establecer los efectos biológicos de la radiación UV en términos de la dosis
recibida, se suele trabajar con el tiempo requerido en alcanzar una cantidad de energía. Por esto, en la tabla 3.4 se presentan los valores de radiación UVT acumulada para un día promedio de cada mes del año. En la figura 3.6 puede verse su evolución anual. El valor acumulado diario más alto se da un junio con 1162.67 kJ m-2, mientras que el más bajo ocurre en el mes de diciembre con 219.31 kJ m-2. El factor entre estos valores es de 5. El mismo factor que el encontrado por Cañada et al., (2003) para Córdoba y Valencia; Ogunjobi and Kim (2004) han encontrado un factor de 3 para la ciudad de Kwangju, Corea del Sur.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMes
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Irra
diac
ión
acum
ulad
a di
aria
(M
J m
-2)
Figura 3.6. Evolución temporal de la irradiación UVT acumulada en un día promedio de cada mes.
50
51
3.2.3. Estudio estadístico de valores diarios de radiación solar ultravioleta total horizontal.
Se realiza el mismo estudio, pero ahora con los datos diarios de radiación solar UVT recogidos en la estación de medida. Los parámetros estadísticos calculados se muestran en la Tabla 3.5, obteniéndose la siguiente información:
Diciembre es el mes con el valor promedio diario más bajo, mientras que junio presenta el más alto (ver figura 3.7).
El valor máximo diario de radiación UVT registrado en la estación es de 1421.0 kJ m-2 y se alcanza el 19 de junio de 2003. Mientras que, el 1 de diciembre de 2004 tuvo lugar el mínimo absoluto con 56.4 kJ m-2.
Se obtienen diferencias más altas entre los mínimos absolutos y los percentiles P5 que entre los máximos y los percentiles P95 (como se puede comprobar en la figura 3.7). Las primeras oscilan entre el 18.4% en abril y el 116.4% de septiembre. Mientras que las segundas, se mantienen, excepto en febrero, todo el año por debajo del 15%, siendo la menor en julio con un 1.0%. Siguiendo con la idea de que los mínimos no son representativos de los niveles de radiación y los máximos sí.
Los valores de la mediana y del valor promedio siguen siendo similares (ver figura 3.7). Destacar que sólo el mes de febrero y todo el periodo en conjunto presentan un sesgo positivo. En enero se obtiene un sesgo prácticamente cero (aunque ligeramente negativo).
Analizando la estabilidad, se vuelven a encontrar valores por debajo del 10% del coeficiente intercuartil en los meses de verano, con lo que estos meses son los más estables.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMes
0
400
800
1200
1600
Irra
diac
ión
UV
T (k
J m-2)
mmdP95
maxP5
min
Figura 3.7. Evolución mensual de los parámetros estadísticos media (m), mediana (md), percentil 95% (P95), máximo (max), percentil 5% (P5) y mínimo (min) de la irradiación UVT diaria registrada en la
estación C.I.B.A. desde febrero 2001 a junio 2008.
Tabla 3.3. Número de datos(n), media aritmética (m), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en tanto por uno), máximo (max), mínimo (min), mediana (md), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), rango intercuartil (RIC), coeficiente de variación intercuartil (V, en tanto por uno), percentil 5% (P5), percentil 95% (P95), sesgo (g, adimensional) y curtosis (k, adimensional) para cada hora de radiación solar UV en los meses de julio desde febrero 2001 a junio 2008 en el C.I.B.A. Las unidades de los parámetros son kJ m-2, excepto de las que se ha indicado entre paréntesis.
hora n m SD CV max min md Q1 Q3 RIC V P5 P95 g k 6-7 104 23.57 5.08 0.22 31.59 4.64 24.97 20.82 26.93 6.11 0.13 14.49 30.46 -1.27 2.107-8 104 49.97 8.27 0.17 62.27 18.49 51.84 46.04 55.72 9.68 0.10 33.71 60.71 -1.25 2.118-9 104 77.96 14.21 0.18 96.88 31.25 80.60 71.79 88.69 16.90 0.11 47.75 93.43 -1.30 1.61
9-10 104 105.13 16.71 0.16 127.21 41.29 106.77 96.90 118.16 21.26 0.10 75.70 124.44 -1.14 1.7710-11 104 122.56 26.27 0.21 151.82 18.04 126.63 115.28 140.08 24.80 0.10 63.06 148.72 -1.88 4.1511-12 104 137.34 24.60 0.18 166.18 36.55 141.56 128.02 155.57 27.55 0.10 89.58 163.12 -1.70 3.6812-13 103 140.26 27.47 0.20 169.26 6.57 146.65 132.48 158.31 25.83 0.09 93.98 166.68 -2.41 7.8713-14 104 133.27 26.64 0.20 163.73 2.29 137.02 124.55 153.48 28.92 0.10 78.87 160.30 -2.09 6.4014-15 104 117.34 25.44 0.22 146.03 7.19 121.06 112.00 135.85 23.85 0.10 58.91 144.46 -1.84 4.2115-16 104 94.36 23.24 0.25 121.84 1.73 98.84 89.74 110.16 20.42 0.10 34.99 119.41 -1.77 3.5116-17 104 67.50 19.01 0.28 89.68 1.55 72.86 64.77 78.56 13.79 0.10 26.04 87.68 -1.70 2.7517-18 104 40.92 10.37 0.25 55.28 0.71 43.91 38.57 47.10 8.54 0.10 18.02 52.13 -1.84 4.0418-19 104 16.99 4.53 0.27 22.81 1.11 18.15 15.62 20.18 4.56 0.13 4.50 21.35 -1.82 3.49
52
53
Tabla 3.4. Radiación UVT (en kJ m-2) acumulada durante un día promedio para cada mes en la estación C.I.B.A.
Hora Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre6-7 - - - 16.66 21.46 26.82 23.57 16.89 - - - - 7-8 - - 16.63 50.12 66.86 80.62 73.54 54.41 25.89 15.20 - - 8-9 - 19.50 48.84 109.73 137.75 163.85 151.50 119.85 77.03 44.68 18.04 -
9-10 20.35 56.77 103.18 193.80 230.75 272.50 256.63 212.12 152.63 93.08 51.29 20.69 10-11 54.23 112.87 175.30 296.32 339.60 400.72 379.19 325.30 247.54 155.94 98.60 53.52 11-12 97.46 179.01 257.39 410.15 457.09 540.84 516.53 451.74 353.31 226.11 152.17 94.65 12-13 142.65 247.95 341.33 529.16 578.74 682.92 656.79 580.54 462.69 296.08 206.14 138.42 13-14 184.72 314.69 421.80 636.98 691.63 817.68 790.06 700.32 560.97 357.43 252.12 177.00 14-15 217.99 369.97 492.08 729.67 791.77 936.13 907.40 803.64 642.62 405.62 286.24 204.86 15-16 238.60 407.57 544.58 801.04 872.86 1033.36 1001.76 884.62 702.26 436.92 305.06 219.31 16-17 - 427.08 575.85 847.51 930.89 1102.77 1069.26 939.04 737.68 453.33 - - 17-18 - - 590.70 870.63 963.91 1143.82 1110.18 967.25 755.24 - - - 18-19 - - - - 978.09 1162.67 1127.17 979.42 - - - -
Tabla 3.5. Número de datos(n), media aritmética (m), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en tanto por uno), máximo (max), mínimo (min), mediana (md), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), rango intercuartil (RIC), coeficiente de variación intercuartil (V, en tanto por uno), percentil 5% (P5), percentil 95% (P95), sesgo (g, adimensional) y curtosis (k, adimensional) para los datos diarios de radiación solar UVT horizontal durante el periodo febrero 2001 - junio 2008 en el C.I.B.A. Las unidades de los parámetros son kJ m-2, excepto de las que se ha indicado entre paréntesis.
Mes n m SD CV max min md Q1
Q3 RIC V P5 P95 g k Enero 134 241.36 85.61 35.47 428.77 89.81 250.82 162.50 308.23 145.72 30.96 107.19 385.18 -0.00 -0.95
Febrero 130 419.11 121.63 29.02 786.71 144.43 418.61 344.82 492.21 147.39 17.61 195.89 618.91 0.10 0.25 Marzo 149 575.15 167.17 29.07 973.53 204.88 600.18 468.05 676.33 208.28 18.2 289.71 830.85 -0.16 -0.42Abril 90 860.83 213.89 24.85 1207.57 419.71 885.00 698.45 1035.45 337.00 19.44 496.78 1141.71 -0.37 -0.96Mayo 100 971.68 238.58 24.55 1347.57 421.39 976.50 805.03 1173.64 368.61 18.63 518.55 1308.87 -0.44 -0.64Junio 143 1161.91 187.92 16.17 1421.00 511.57 1188.92 1070.54 1310.13 239.58 10.06 772.42 1381.96 -1.22 1.58 Julio 104 1124.43 182.32 16.21 1364.55 600.03 1167.49 1037.30 1257.55 220.24 9.597 769.78 1350.49 -0.98 0.60
Agosto 86 965.54 154.08 15.96 1239.85 511.90 994.32 881.28 1062.89 181.61 9.341 672.55 1183.01 -0.92 0.92 Septiembre 104 747.44 170.13 22.76 1053.31 220.36 768.71 652.49 875.43 222.94 14.59 476.96 970.29 -0.78 0.80
Octubre 157 440.43 148.77 33.78 742.84 134.43 439.75 352.66 547.86 195.20 21.68 188.41 673.00 -0.17 -0.71Noviembre 151 300.58 101.79 33.86 508.17 61.98 311.20 230.96 370.22 139.27 23.17 127.05 470.08 -0.22 -0.51Diciembre 155 217.25 63.14 29.06 308.35 56.39 240.36 177.88 268.44 90.57 20.29 105.29 293.08 -0.68 -0.73
Total Periodo 1503 624.91 368.64 58.99 1421.00 56.39 538.53 297.30 945.79 648.49 52.17 146.97 1277.94 0.44 -1.07
54
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMes
0
50
100
150
200
250
Irra
diac
ión
UV
T A
cum
ulad
a (M
J m-2
)
Figura 3.8. Radiación solar ultravioleta horizontal acumulada durante un año promedio en el C.I.B.A.,
Valladolid (en MJ m-2).
Finalmente, y siguiendo el proceso de análisis de la radiación solar global
horizontal. Se calcula la radiación UVT acumulada a lo largo de un año promedio (a partir de los valores diarios promedios en cada mes de todo el periodo de medida). Se obtiene una radiación UVT acumulada de 244.5 MJ m-2. En total analogía con otros valores encontrados por la bibliografía. Por ejemplo, Martínez-Lozano et al., (1996) encuentra un valor de 191 MJ m-2 para la ciudad de Valencia; en Kwangju, Corea del Sur, Ogunjobi and Kim (2004), encuentran un valor acumulado de 251 MJ m-2; Khogali and Al-Bar (1992), obtienen un valor de 280 MJ m-2 para Makkah, Arabia Saudita. La evolución anual de esta cantidad se puede ver en la figura 3.8.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Meses
0
10
20
30
Irra
diac
ión
Glo
bal d
iaria
pro
med
io (M
J m
-2)
0
1
2
3
Irra
diac
ión
UV
T di
aria
pro
med
io (M
J m
-2)
GUVT
Figura 3.9. Radiación solar global y UVT diarias promedios mensuales para un año promedio en el
C.I.B.A. (en MJ m-2).
Si comparamos este valor obtenido, con el obtenido en la sección 3.2.3 para la radiación solar global horizontal (5.8 GJ m-2), tenemos la primera relación entre ambas magnitudes. Ya que en un año promedio, la radiación UVT acumulada supone un 4.22% de la radiación acumulada global horizontal. En la figura 3.9 puede verse la evolución temporal de los promedios diarios mensuales para un año promedio. En la siguiente sección, se entrará más en detalle sobre la relación existente entre la radiación UVT y la radiación solar global horizontal.
3.3. Relación entre radiación solar ultravioleta y radiación solar global.
A la vista de la evolución temporal de ambas radiaciones, se realiza una correlación lineal entre ellas. Si se considera una relación lineal de la forma UV = b + a*G, el término independiente, b, es prácticamente cero o menor que el error experimental y, en la mayor parte de los casos, positivo. Físicamente, no se puede aceptar el hecho de que cuando la radiación global sea cero, la radiación UV sea un cierto número distinto de cero. Por lo que se supone que ambas radiaciones alcanzan juntas el cero y, por lo tanto, el ajuste resulta ser de la forma UV = a*G (Barbero et al, 2006; Jacovides et al., 2006; Ogunjobi and Kim, 2004; Cañada et al, 2000; Martínez-Lozano et al, 1999; Foyo-Moreno et al, 1999). Se realiza este ajuste para valores horarios y diarios, los resultados se muestran en la Tabla 3.6.
Tabla 3.6. Parámetros de la regresión lineal UV = a*G para los datos horarios y diarios en Valladolid durante febrero 2001- junio 2008. Se adjunta el valor del coeficiente de determinación (r2) y el número de datos para cada mes (n).
Mes Horarios Diarios a r2 n a r2 n
Enero 0.0383 0.98 714 0.0384 0.98 102 Febrero 0.0396 0.98 875 0.0394 0.98 101 Marzo 0.0411 0.98 1437 0.0408 0.98 146 Abril 0.0434 0.99 1018 0.0431 0.99 90 Mayo 0.0438 0.99 1240 0.0434 0.99 99 Junio 0.0438 0.99 1465 0.0432 1.00 113 Julio 0.0426 0.99 1232 0.0419 0.99 95
Agosto 0.0419 0.99 1014 0.0413 0.99 86 Septiembre 0.0414 0.98 1095 0.0409 0.99 104
Octubre 0.0401 0.98 1427 0.0400 0.99 157 Noviembre 0.0380 0.98 1183 0.0380 0.99 151 Diciembre 0.0370 0.97 993 0.0372 0.98 142
Total 0.0421 0.99 13693 0.0419 0.99 1386
56
En dicha tabla, puede comprobarse como los valores máximos de radiación UV respecto a la global se dan en mayo y junio, y los mínimos en noviembre y diciembre, tanto para los valores horarios como para los diarios. En general, puede decirse que, en Valladolid, la radiación UVT se corresponde con un 4.2% de la radiación solar global horizontal, igual resultado que el obtenido en la sección anterior con la radiación anual promedio acumulada. Para todo el periodo de medidas se obtienen las relaciones 3.1 entre la radiación UVT y la global.
h
d d
UV = 0.0421 GUV = 0.0419 G
h
h
(3.1)
Donde los subíndices “h” y “d” hacen referencia a datos horarios y diarios
respectivamente. En otros estudios similares en España, se obtuvo un 4% en Granada y 3.7% en Almería (Foyo-Moreno et al., 1999), un 3.3% y un 3% en Valencia para datos horarios y diarios, respectivamente (Martínez-Lozano et al., 1999), un 4.2% para Córdoba (Cañada et al., 2000). Y fuera de la península ibérica, un 3.33% y un 3.19% para datos horarios y diarios, respectivamente en Athalassa, Chipre (Jacovides et al., 2006) y un 7.7% en Kwangju, Corea del Sur (Ogunjobi and Kim, 2004) y un 4.1% en Atenas, Grecia (Koronakis et al., 2002).
Por otra parte, la relación potencial de la forma UV = a * Gb proporciona
también buenos resultados. Este tipo de relación es muy utilizada en este campo. Los resultados detallados para este tipo de ajuste se recogen en la Tabla 3.7. Cañada et al., (2008), en un estudio en Valencia obtienen una expresión UV = 0.047 * G0.92, mientras que para la estación C.I.B.A. de Valladolid se obtienen las ecuaciones 3.2.
0.9313
h0.9410
d d
UV = 0.0685 G
UV = 0.0735 G
(3.2)
Comparando estos valores con los proporcionados por la bibliografía, es fácil
entender que la relación existente entre UV y global depende de cada lugar, con lo que estos resultados no pueden ser extrapolados a ciudades con climas muy distintos a los de Valladolid. De ahí que se observen grandes diferencias con los resultados de los estudios realizados en Valencia, por ejemplo.
Tabla 3.7. Parámetros de la regresión potencial UV = a*Gb para los datos horarios y diarios en Valladolid durante febrero 2001- junio 2008.
Datos a b r2 n Horarios 0.0685 ± 0.0132 0.9313 ± 0.0018 0.95 13693 Diarios 0.0735 ± 0.0464 0.9410 ± 0.0049 0.96 1386
57
0 1000 2000 3000 4000Valores horarios Gh (kJ m-2)
0
4
8
12
Val
ores
hor
ario
s de
UV
/G (%
)
Figura 3.10. Porcentaje de la relación horaria UV/G en función de la radiación solar global horizontal
horaria (Gh, en kJ m-2) para el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
Se analizan ahora el cociente UV/G y las posibles influencias que tienen sobre él
las condiciones atmosféricas. En las figuras 3.10 y 3.11 puede verse la evolución del cociente UV/G horario y diario en función de la radiación solar global horizontal horaria (Gh) y diaria (Gd), respectivamente. En la figura 3.10 puede verse como el cociente UV/G aumenta cuando la radiación solar global horaria decrece, debido sobretodo a condiciones de nubosidad (para Gh<1000 kJ m-2). Se puede decir, por lo tanto, que la presencia de nubes reduce más la radiación solar global que la componente UV, debido a la fuerte absorción del vapor de agua en el infrarrojo cercano. Este hecho es corroborado por diversos autores: Jacovides et al., (2006); Calbó et al., (2005); Foyo-Moreno et al., (2003); Cañada et al., (2000). A partir de los 1000 kJ m-2, se observa un aumento del valor del cociente al ir aumentando el valor de la radiación.
Viendo ahora la figura 3.11, el cociente diario UV/G no tiene una dependencia tan marcada con el valor diario de radiación solar global horizontal. Aunque por debajo de los 10 MJ m-2, el valor del cociente aumenta significativamente. Las figuras 3.10 y 3.11 guardan total analogía con las representadas por otros autores como Foyo-Moreno et al., (1999) y Jacovides et al., (2006). Un estudio sobre la variación de este cociente UV/G en función de la nubosidad se discutirá en la sección 4.2.3.
58
0 10 20 30 4Valores diarios Gd (MJ m-2)
00
2
4
6
8
Val
ores
dia
rios
de U
V/G
(%)
Figura 3.11. Porcentaje de la relación horaria UV/G en función de la radiación solar global horizontal diaria (Gd, en MJ m-2) para el periodo de medida febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
59
Capítulo 4: Variables que influyen en la radiación solar ultravioleta Como ya se ha comentado, hay distintos factores que tienen influencia en los niveles de radiación UV que alcanzan la superficie terrestre. Campmany, (2005), Weish and Webb, (1997) han señalado la importancia de determinar las propiedades ópticas de la atmósfera a la hora de trabajar con modelos de predicción de radiación UV. Por eso, el objetivo de este capítulo será el de establecer las influencias y los niveles reales sobre la estación de medida de los parámetros que, posteriormente, se usarán como variables de entrada en distintos modelos. Los factores a estudiar son la altura solar, la nubosidad, el ozono, el agua precipitable y el espesor óptico de aerosoles.
4.1. Influencia de la altura solar en la radiación UV Para cuantificar el efecto de la altura solar en la radiación UV usaremos la masa óptica relativa de aire (m), que se define como la masa óptica de aire en una dirección dada respecto a la masa óptica en la dirección vertical. Se calcula a partir de la expresión propuesta por Kasten and Young (1989):
-1.6364
1m =
cosθ + 0.050572 (96.07995 -θ) (4.1)
Para los datos horarios, esta masa óptica se calcula en el punto medio del intervalo (es decir, a las horas y media).
60
0 2 4Masa óptica de ai
6re
0
40
80
120
160
200
Irra
diac
ión
UV
T ho
raria
(kJ m
-2)
Figura 4.1. Radiación solar ultravioleta horaria (kJ m-2) en función de la masa óptica de aire calculada en el punto medio del intervalo horario para el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A.,
Valladolid.
En la figura 4.1 se puede ver como varía la radiación solar ultravioleta horaria en función de la masa óptica. En la que se puede ver como, a pesar de la gran dispersión de los datos, los máximos valores de radiación UV disminuyen con la masa óptica. Si a esto se añade las conclusiones del capítulo anterior, se puede decir que la altura solar, representada en la masa óptica de aire, será el principal factor a tener en cuenta a la hora de modelizar la radiación solar UV.
4.2. Influencia de la nubosidad en la radiación solar UV. Como ya se ha indicado, la cubierta de nubes va a condicionar la cantidad de radiación solar que llegue a la superficie. Para comprobar este efecto en la radiación UVT, clasificamos los datos de radiación en función de las observaciones de nubes en octas. Para facilitar la visión de este efecto, seleccionamos cuatro categorías de ángulos de elevación solar (h): 60º<h4, 40º<h3≤60º, 20<h2≤40º y 10º<h1≤20º. En la figura 4.2 se presentan la variación de la radiación UVT horaria en función de la nubosidad (en octas). Como puede verse en la gráfica, para los cuatro rangos de elevación solar, un aumento en la nubosidad produce una disminución en la radiación UV. De este efecto, se pueden extraer una serie de características. El efecto de las nubes es notable para cubiertas muy elevadas, pero prácticamente inapreciable hasta los 2 octas (las nubes pueden no estar colocadas entre el Sol y el sensor). El rango menor elevación solar, 10º<h1≤20º, es el que menos nota el efecto de las nubes. Para cielos totalmente cubiertos (8 octas), las diferencias existentes entre los distintos rangos de elevación solar se reducen considerablemente. De hecho, la combinación de cielos totalmente cubiertos con alta elevación solar produce los mismos resultados que la combinación de baja altura solar con cielos despejados (0 octas).
61
0 2 4 6Nu
8bosidad (Octas)
0
60
120
180
Irra
diac
ión
hora
ria U
VT
(kJ
m-2)
60º < h4
40º < h3 < 60º20º < h2 < 40º10º < h1 < 20º
Figura 4.2. Radiación solar ultravioleta horaria promedio (kJ m-2) frente a la cubierta de nubes (en octas)
y para distintos rangos de elevación solar en el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008.
El resultado encontrado para la radiación UV bajo condiciones de nubosidad es similar al que presentan la radiación solar en otras zonas del espectro (Alados et al., 2000).
4.2.1. Índice de claridad o transmitancia hemisférica Algunos investigadores (Foyo-Moreno et al., 1999, 2003; Murillo et al., 2003) han propuesto varios modelos matemáticos para representar la radiación UV. Es reseñable que usando parámetros adimensionales se puede reducir el carácter local de dichos modelos. Por esto, los estudios recientes de radiación solar global están basados en el índice de claridad global o transmitancia hemisférica global (kt), el cual se define según la expresión 4.2 (Antón, 2007; Varo et al., 2005; Ogunjobi and Kim, 2004; Cañada et al., 2000; Foyo-Moreno et al., 1999; Martínez-Lozano, 1999):
t0
k =GG
(4.2)
Siendo G la radiación solar global medida a nivel de superficie y G0 la radiación solar extraterrestre sobre superficie horizontal para el mismo intervalo de tiempo (calculada a partir de la expresión 1.7). El histograma con los valores horarios para este índice se ve en la figura 4.3. La mayor parte de datos se concentra en el rango 0.7-0.8.
62
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1kt
0
0.04
0.08
0.12
Frec
uenc
ia R
elat
iva
/ 100
(%)
Figura 4.3. Índice de claridad horario, calculado como la razón entre la radiación global horizontal horaria
medida y la radiación solar global extraterrestre horaria, para el periodo de medidas noviembre 2000 a junio 2008 (25784 datos) en el C.I.B.A.
Este índice se puede considerar como un descriptor general de la transmisión
atmosférica. (absorción y scattering) e influye de forma similar en todas las regiones del espectro solar. Se denomina índice de claridad porque decrece cuando aumentan las condiciones de atenuación de la radiación solar, y la más determinante es la nubosidad. Diversos autores han demostrado la utilidad de definir un parámetro similar para la región del UV (Martínez-Lozano et al., 1994), de tal forma que, se define el índice de claridad del UV o transmitancia hemisférica para el UV (ktuv) como sigue:
tuv
UVk =
UV0 (4.3)
Donde UV hace referencia a la radiación UV registrada a nivel de superficie y
UV0 a la radiación solar ultravioleta extraterrestre en superficie horizontal durante el mismo intervalo de tiempo (evaluada con la expresión 1.9).
En la figura 4.4, se presenta el histograma con los valores horarios obtenidos del
índice de claridad del UV. No se obtienen valores por encima de 0.65, lo que concuerda con otros estudios (Varo et al., 2005; Ogunjobi and Kim, 2004).
63
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1ktuv
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Frec
uenc
ia R
elat
iva
/ 100
(%)
Figura 4.4. Índice de claridad UV horario, calculado como la razón entre la radiación ultravioleta horizontal horaria medida y la radiación solar ultravioleta extraterrestre horaria, para el periodo de
medidas febrero 2001 a junio 2008 (14813 datos) en el C.I.B.A., Valladolid.
En las gráficas 4.5 y 4.6 se puede observar como varían los índices de claridad global y UV, respectivamente, en función de la cubierta de nubes para distintos rangos de elevación solar.
Analizando los resultados para la categoría de mayor elevación solar (h>60º), el
kt reduce su valor en torno al 60%, mientras que el ktuv baja un 50% aproximadamente.
0 2 4 6 8Nubosidad (Octas)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
k t hor
ario
60º < h4
40º < h3 < 60º20º < h2 < 40º10º < h1 < 20º
Figura 4.5. Evolución del índice de claridad global horario en función de la cubierta de nubes para el
periodo de medidas noviembre 2000 a junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
64
0 2 4 6Nu
8bosidad (Octas)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
k tuv h
orar
io
60º < h4
40º < h3 < 60º20º < h2 < 40º10º < h1 < 20º
Figura 4.6. Evolución del índice de claridad ultravioleta horario en función de la cubierta de nubes para el
periodo de medidas febrero 2001 a junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
4.2.2. Relaciones entre transmitancias hemisféricas.
Los resultados anteriores sugieren estudiar las relaciones que se puedan establecer entre los dos índices de claridad (kt y ktuv). Se han realizado correlaciones entre las dos magnitudes, tanto horarias como diarias. Los resultados detallados del análisis de regresión lineal (ktuv = m * kt) por meses se encuentran en la Tabla 4.1. Para todo el periodo de medidas se obtienen las relaciones 4.4. La k minúscula hace referencia a los valores horarios, mientras que la K mayúscula denota los valores diarios.
k tuv t
tuv t
= 0.6790 k(4.4)
K = 0.6882 K
A la vista de estos resultados se deduce que la transmitancia hemisférica para el UV representa casi un 70% de la transmitancia hemisférica global. Por meses, durante los meses de primavera se alcanzan los máximos, mientras que los mínimos transcurren en invierno. Estudios similares se han realizado en varios puntos de la geografía española. Cañada et al., (2003) encuentra un valor del 75% para Valencia y uno del 71% para la ciudad de Córdoba, Foyo-Moreno et al. (1999) obtuvo una relación del 68% para Granada, mientras que Martínez-Lozano et al. (1999) para la ciudad de Valencia obtuvo unos valores del 54 y 56% para datos horarios y diarios, respectivamente. Las diferencias entre los dos estudios en la ciudad de Valencia se atribuyen al distinto periodo de medidas analizado y a los distintos sensores de radiación empleados. Cañada et al., (2003) también encuentra una relación del 71% en la ciudad de Córdoba.
65
Tabla 4.1. Parámetros de la regresión lineal ktuv = a kt para los datos horarios y diarios registrados durante el periodo febrero 2001 - junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
Mes Horarios Diarios a r2 n a r2 n
Enero 0.6383 0.97 714 0.6508 0.98 102 Febrero 0.6490 0.97 875 0.6584 0.98 101 Marzo 0.6760 0.98 1437 0.6869 0.98 146 Abril 0.7121 0.99 1018 0.7273 0.99 90 Mayo 0.7141 0.99 1240 0.7326 0.99 99 Junio 0.7128 0.99 1465 0.7300 1.00 113 Julio 0.6904 0.98 1232 0.7082 0.99 95
Agosto 0.6860 0.98 1014 0.6980 0.99 86 Septiembre 0.6789 0.98 1095 0.6905 0.99 104
Octubre 0.6638 0.98 1427 0.6769 0.99 157 Noviembre 0.6295 0.98 1183 0.6421 0.99 151 Diciembre 0.6143 0.97 993 0.6269 0.98 142
Total 0.6790 0.98 13693 0.6882 0.99 1386 Las diferencias observadas respecto a Valencia se deben, como ya se ha
comentado anteriormente, a la diferencia de climas. Valencia está localizada en la costa Mediterránea, mientras que las estaciones de Valladolid, Granada y Córdoba están situadas más en el interior. Ogunjobi and Kim, (2004) obtienen para Kwangju, en Corea del Sur, un valor del 71%.
A continuación se analizan otras expresiones no lineales entre ambos parámetros. Pedrós et al. (1997) en la ciudad de Córdoba propone la expresión 4.5 para el índice de claridad diario del UV.
ktuv = -0.019 + 1.27 kt - 1.41 kt2 + 0.90 kt
3, con un r2 =0.93 (4.5)
Cañada et al., (2003) también trabajan, para datos horarios, con expresiones polinómicas de tercer orden pero sin término independiente, en dos ciudades españolas. En Valencia el resultado obtenido es de la expresión 4.6, y el obtenido en Córdoba el de la expresión 4.7.
ktuv = 1.54 kt – 2.29 kt
2 + 1.8 kt3, con un r2 =0.88 (4.6)
ktuv = 1.38 kt – 2.18 kt2 + 1.76 kt
3, con un r2 =0.93 (4.7) Ogunjobi and Kim, (2004) en Corea del Sur proponen otra expresión polinómica
de tercer orden, pero sin término independiente para datos horarios, expresión 4.8, obteniendo buenos resultados.
ktuv = 1.52 kt - 0.96 kt
2 + 1.02 kt3, con un r2 =0.95 (4.8)
66
En analogía con estos autores, se propone un ajuste polinómico entre las transmitancias hemisféricas con la base de datos de la estación C.I.B.A., resultando las ecuaciones 4.9 para los datos horarios y 4.10 para los diarios.
ktuv = -0.002 + 1.147 kt - 1.367 kt
2 + 0.972 kt3, con un r2 =0.84 (4.9)
Ktuv = 0.002 + 1.011 Kt - 0.883 Kt
2 + 0.568 Kt3, con un r2 =0.86 (4.10)
Con los datos horarios registrados en la estación radiométrica C.I.B.A. (febrero
2001 a junio 2008), y tras un análisis exhaustivo de los mismos, se proponen las expresiones 4.11 y 4.12, que son las que mejor se adaptan a la base de datos de la que se dispone.
ktuv = a kt
b (4.11)
Donde el valor de los parámetros a y b es de 0.615 y 0.790, respectivamente, para los datos horarios (con un r2 =0.91). Mientras que para los datos diarios toman un valor de 0.620 y 0.798, respectivamente (con un r2 =0.92).
ktuv = (a + (b / kt))-1 (4.12)
Donde a y b son 1.233 y 0.804, respectivamente, para los datos horarios (con un
r2 =0.93). Mientras que para los datos diarios toman un valor de 0.787 y 0.998, respectivamente (con un r2 =0.95).
Se observa que los resultados son bastante satisfactorios. Aunque con la
expresión polinómica se empeoran ligeramente, con las expresiones 4.11 y 4.12 se mantiene un coeficiente de correlación superior a 0.9.
4.2.3. Estudio de la relación UV/G. Analizando los resultados anteriores, se plantea estudiar el cociente UV/G como
alternativa. Es una magnitud adimensional y se obtiene de la medida de radiación UV respecto de la global.
El cociente UV/G muestra la importancia relativa de la radiación UV en la
radiación solar global en superficie. Este cociente ha sido estudiado por diversos autores (Antón, 2007; Varo et al., 2005; Ogunjobi and Kim, 2004; Cañada et al., 2000; Foyo-Moreno et al., 1998: 1999; Martínez-Lozano et al., 1999). En dichos estudios se han encontrado una variación diaria, estacional y local relacionada con la cubierta de nubes. Para la estación C.I.B.A., la variación del cociente UV/G en función de la nubosidad se muestra en las figuras 4.7 y 4.8. En la primera, se puede ver la variación del cociente en función de la cubierta de nubes para distintos rangos de elevación solar.
67
0 2 4 6Nu
8bosidad (Octas)
3
4
5
6
Coc
ient
e ho
rario
UV
/G (%
)
60º < h4
40º < h3 < 60º20º < h2 < 40º10º < h1 < 20º
Figura 4.7. Valores horarios del cociente de radiación solar UVT respecto de la radiación solar global
horizontal en función de la cubierta de nubes y para distintos rangos de ángulos de elevación solar durante el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
Aunque no existan grandes diferencias entre los distintos rangos, con poca
cubierta de nubes, al aumentar la elevación solar, aumentan los valores del cociente UV/G. Mientras que, para cielos cubiertos se van igualando los valores del cociente, independientemente del ángulo de elevación solar, hasta llegar a cielos totalmente cubiertos (8 octas), donde se obtiene el mayor valor del cociente (debido a la fuerte absorción de longitud de onda larga por parte de las nubes (Festier and Grasnick, 1992)), y donde resulta ser independiente de la elevación solar. El aumento del cociente UV/G es significativamente mayor para bajas elevaciones solares (10º<h1≤20º).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1kt horarios
0
2
4
6
8
10
CO
CIE
NTE
UV
/G (%
)
Figura 4.8. Valores horarios del cociente UV/G en función de la transmitancia hemisférica global horaria
(kt) durante el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
68
0 2 4 6 8Nubosidad (Octas)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
k tuv
0
2
4
6
Cociente U
V/G
(%)
UV/Gktuv
Figura 4.9. Valores horarios del cociente UV/G y de la transmitancia hemisférica horaria para el UV (ktuv)
en función de la cubierta de nubes y para elevaciones solares mayores de 60º durante el periodo de medidas febrero 2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
En la figura 4.8, se representa la variación de UV/G en función del índice de
claridad. Para valores altos del índice de claridad (baja nubosidad), se aprecia un aumento del valor del cociente UV/G. Y cuando la transmitancia hemisférica global disminuye, se observa un ligero aumento en el valor del cociente. Con todo esto, se puede deducir que la transmitancia hemisférica para el UV, no se ve tan afectada por las nubes como la transmitancia hemisférica global. Este hecho se ve corroborado por los distintos estudios realizados por los autores antes mencionados.
Se analiza ahora la dependencia conjunta del cociente UV/G y del índice de
claridad del UV (ktuv) en función de la nubosidad. En la figura 4.9 se ha representado la variación de los dos parámetros en función de la cubierta de nubes para elevaciones solares mayores de 60º. Como puede verse en la figura, queda demostrada la tendencia opuesta de estos cocientes en función de la cubierta de nubes. Para cielos totalmente despejados, el índice ktuv toma un valor de 0.58 y el cociente UV/G de 4.40%. Las diferentes tendencias hacen que, para cielos totalmente cubiertos, el índice ktuv tome un valor de 0.27, mientras que el valor del cociente UV/G ha aumentado hasta el 5.11%.
4.3. Influencia del ozono estratosférico en la radiación solar ultravioleta
Como ya se ha comentado, el ozono estratosférico es uno de los factores más relevantes e influyentes en la cantidad de radiación solar ultravioleta que alcanza la superficie terrestre.
69
Varios instrumentos proporcionan un valor de esta columna de ozono, como medidas de referencia se utilizan las realizadas por un espectrorradiómetro Brewer. Actualmente, las medidas de sensores abordo de satélites ofrecen la posibilidad de tener datos diarios de ozono a escala global con muy buena resolución espacial. Por ello, el primer objetivo dentro de esta sección será el validar dichas medidas mediante comparación con las realizadas por un instrumento Brewer. Posteriormente, se realizará un estudio de las medidas realizadas de la columna total de ozono, por el fotómetro solar manual Microtops-II en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid, comparándolas con las medidas satelitales. Una vez analizadas las fuentes que nos proporcionan las medidas de ozono en columna, se pasará a realizar un estudio climatológico de la TOC sobre la estación de medida C.I.B.A., para, por último, establecer relaciones entre la columna total de ozono y otros factores atmosféricos, como la altura geopotencial a 200mb y el espesor óptico de aerosoles.
4.3.1. Validación de las medidas de satélites. La Agencia Estatal de Meteorología (AEMet) posee una serie de instrumentos
Brewer repartidos por la geografía española. Para este trabajo se usan los datos del instrumento Brewer de la localidad de Madrid con localización 40º 27’N, 3º 43’W y a 619m sobre el nivel del mar desde octubre de 2004 a junio de 2008. Estas medidas, tomadas como referencia, son comparadas con las medidas de satélites a validar. La base de datos para el satélite OMI de la NASA recoge el mismo periodo temporal, mientras que los datos del satélite GOME-2 proporcionados por EUMETSAT/DLR abarcan desde julio 2007 a enero 2008. En la figura 4.10 puede verse la evolución temporal de las tres series de datos. La evolución es muy similar para las tres series de datos. El Brewer suministra los valores más altos, mientras que el GOME-2 proporciona los valores más bajos. Además, puede verse la variación estacional de la TOC, corroborada por otros autores (Serrano et al., 2006; Salvador, 2007; Cui et al, 2008).
2004 2005 2006 2007 2008
Fecha
200
300
400
500
TOC
sobr
e A
EMeT
(DU
)
BREWEROMIGOME-2
Figura 4.10. Evolución temporal de la columna total de ozono sobre AEMet (Madrid) desde octubre de
2004 a junio de 2008 medida por el espectrorradiómetro Brewer y por los sensores OMI y GOME-2.
70
Tabla 4.2. Coeficientes de las regresiones lineales Brewer - OMI y Brewer – GOME-2 durante octubre 2004 – junio 2008 y julio 2007 – enero 2008 respectivamente, sobre el AEMet (Madrid).
Comparación a (pendiente) b (ordenada) /DU r2 RMSE (%) n Brewer – OMI 0.95 ± 0.01 19.42 ± 3.53 0.87 4.34 1068
Brewer – GOME2 0.99 ± 0.03 23.98 ± 9.80 0.82 7.47 181
En la tabla 4.2 se muestran los coeficientes de realizar un ajuste de regresión lineal entre las series de datos de los satélites y el espectrorradiómetro Brewer. Donde puede verse que se obtienen muy buenos resultados, por lo que las medidas de satélites se pueden tomar como referencia en aquellos lugares que carecen de instrumentos terrestres. Sobre este resultado se basa el siguiente estudio, al comparar las medidas realizadas con un fotómetro solar manual Microtops-II con las proporcionadas por los satélites, que visto lo cual, se toman como referencia para la localidad de Valladolid.
4.3.2. Medidas de la columna total de ozono sobre Valladolid.
En la gráfica 4.11 se muestra la evolución temporal de la columna total de ozono registrada sobre Valladolid en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid (41º 39’N, 4º 43’ W y a 716m sobre el nivel del mar) con el Microtops-II y con las estimaciones satelitales para el periodo de medida agosto 2007 – junio 2008.
Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun
Años 2007-2008
200
240
280
320
360
400
440
TOC
sobr
e V
alla
dolid
(DU
)
OMIMICROTOPS-IIGOME-2
Figura 4.11. Evolución temporal de la columna total de ozono sobre la Facultad de Ciencias de la
Universidad de Valladolid, desde octubre de 2004 a junio de 2008 medida por los instrumentos abordo de satélites OMI y GOME-2, y el ozómetro manual Microtops-II.
71
Tabla 4.3. Coeficientes de las regresiones lineales Microtops-II - OMI y Microtops-II - GOME-2 durante agosto 2007 – junio 2008 y agosto 2007 – enero 2008 respectivamente, sobre la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid.
Comparación a (pendiente) b (ordenada) /DU r2 RMSE (%) n Microtops-II – OMI 0.93 ± 0.02 19.49 ± 5.20 0.96 1.97 127
Microtops-II – GOME2 0.85 ± 0.05 32.09 ± 14.59 0.82 3.63 67
En la figura 4.11 puede verse que el GOME-2 vuelve a proporcionar los valores
más bajos. Se puede apreciar un buen acuerdo entre las medidas del Microtops-II y del satélite OMI. Hecho que se corrobora con los resultados de la regresión lineal incluidos en la tabla 4.3. En dicha tabla, el número tan bajo de días se debe a que el Microtops-II únicamente proporciona datos fiables en días despejados. Aún así, se obtienen unos buenos resultados, especialmente para el satélite OMI de la NASA. Estos resultados confirman la validez de las medidas de TOC realizadas por el Microtops-II (Campmany, 2005; Aculinin, 2006). 4.3.3. Estudio climatológico de la columna total de ozono sobre el C.I.B.A. La metodología de este apartado consiste en calcular los promedios mensuales correspondientes a la columna total de ozono sobre nuestra estación de medida. Se dispone de una serie de datos desde noviembre de 1978 hasta junio de 2008. Los datos de la columna de ozono han sido los proporcionados por la distintas misiones de la NASA, en la observación de este gas, mediante el sensor TOMS (desde 1978) y, actualmente, con el EOS-Aura (con el sensor OMI, se disponen datos desde octubre 2004). En la figura 4.12 se muestran las medias mensuales para todo el periodo de datos de TOC sobre el C.I.B.A. Se vuelve a comprobar la hipótesis de variación estacional de la columna de ozono, así como el descenso paulatino registrado en esta columna en las últimas décadas (WMO, 2002). El máximo registrado se da en el mes de mayo de 1984 con 402 DU de media mensual, mientras que el valor mínimo, 257 DU, tuvo lugar en noviembre de 1992. El resumen con los parámetros estadísticos relevantes se puede encontrar en la tabla 4.4. Tabla 4.4. Número de datos (n), media aritmética (m), mediana (md), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en %), mínimo (min), máximo (max), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), coeficiente de variación intercuartil (V, en %), sesgo (g, adimensional), percentil 5% (P5) y percentil 95% (P95) de las medias mensuales de la columna total de ozono sobre el C.I.B.A., desde noviembre de 1978 hasta junio de 2008. Las unidades son DU, excepto las indicadas entre paréntesis.
n m md SD CV min max Q1 Q3 V g P5 P95 305 321.3 318.5 29.3 9.1 256.7 401.8 297.6 340.3 6.7 0.4 279.8 374.2
72
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Fecha
240
280
320
360
400
440TO
C so
bre
el C
.I.B
.A. (
DU
)
Figura 4.12. Evolución temporal de las medias mensuales de la columna total de ozono en el
C.I.B.A. Valladolid, desde noviembre de 1978 hasta junio de 2008. La línea morada punteada representa el valor medio en el periodo: 321 DU.
A partir de los promedios mensuales se han calculado las anomalías mensuales, definidas como la diferencia entre estos valores y el valor medio mensual en todo el periodo de medidas. Los casos extremos de ozono, siguiendo los estudios de variabilidad climática, quedarán identificados cuando la anomalía estandarizada en valor absoluto sea mayor que la unidad (Parrondo y Serrano, 2004).
En la figura 4.13 se muestra la evolución temporal de las anomalías estandarizadas de ozono sobre la estación en el periodo de medida desde noviembre de 1978 a junio de 2008. Durante todo el periodo, se han registrado 83 casos extremos de ozono, ocurriendo los últimos en enero, febrero, abril y junio de 2008. Hecho que tendrá que ser analizado en profundidad en futuros trabajos.
73
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Fecha
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Ano
mal
ías
Esta
ndar
izad
as T
OC
Figura 4.13. Evolución temporal las anomalías estandarizadas de la columna de ozono en el C.I.B.A.
Valladolid desde noviembre de 1978 hasta junio de 2008. Las líneas rojas horizontales marcan los casos extremos de ozono.
Por último, con los datos diarios suministrados de la columna total de ozono, se
ha calculado el número de días en los que ocurre una determinada variación de ozono entre dos días consecutivos (ver figura 4.14). El valor promedio de todas las variaciones entre dos días consecutivos es de -0.015DU. El máximo ocurre para unas variaciones cercanas a cero. Este resultado es de aplicación en diversos modelos, ya que asumiendo un cambio débil entre dos días consecutivos, usar una columna total de ozono diaria es, por tanto, una buena aproximación (Palancar and Toselli, 2004).
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100Variación Diaria (DU)
0
200
400
600
800
Ocu
rren
cia
(día
s)
Figura 4.14. Número de veces en las cuales se ha dado un determinado cambio en la columna total de
ozono entre dos días consecutivos durante todo el periodo de medidas noviembre 1978 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
74
4.3.4. Relación del ozono estratosférico con otras variables. Se trata ahora de relacionar la columna total de ozono con otros factores atmosféricos, como son la altura geopotencial a 200mb y el espesor óptico de aerosoles. Por último se comprobará que relación existe entre ozono y la radiación UVT. En primer lugar se estudia la relación de la TOC con la altura geopotencial a 200mb (GHT a 200mb). Los datos de esta GHT son proporcionados por el reanálisis del National Centres for Environmental Prediction (NCEP). Se han tomado las medias mensuales para todo el periodo de datos de ozono sobre nuestra estación (noviembre 1978 – junio 2008). Al igual que con la columna total de ozono, se calculas las anomalías estandarizadas (de idéntica forma a la descrita en el apartado anterior, como la diferencia entre los valores medios mensuales y el valor medio mensual en todo el periodo de medidas). La evolución conjunta de ambas anomalías se representa en la figura 4.15. Es fácil ver como las anomalías de TOC y de la altura geopotencial están correlacionadas negativamente. Cuando se tiene un caso extremo positivo en una magnitud se da uno negativo en la otra. Esta relación es debida a los efectos de advección horizontal y a los movimientos verticales a gran escala. Particularmente, el transporte S/N de aire estratosférico desde la zona polar, rica en ozono, a la subtropical, pobre en él, juega un papel importante (di Sarra et al, 2004).
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Fecha
-4
-2
0
2
4
Ano
mal
ias
esta
ndar
izad
as
HGT a 200mbTOC
Figura 4.15. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono (TOC, línea azul) y de la altura geopotencial a 200mb (HGT a 200mb, línea marrón) en el periodo noviembre 1978 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid. Las líneas continuas rojas marcan el límite de los casos
extremos.
75
2003 2004 2005 2006 2007 2008
Fecha
-3
-2
-1
0
1
2
3
Ano
mal
ías e
stan
dariz
adas
TOCAOT 870nm
Figura 4.16. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono (TOC,
línea azul) y del espesor óptico de aerosoles a 870nm (AOT 870nm, línea verde) en el periodo enero 2003 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid. Las líneas rojas continuas marcan el límite de los casos extremos.
Aunque no resulta tan evidente como en el caso anterior, se puede apreciar también un comportamiento inverso entre las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono y el espesor óptico de aerosoles a 870nm (ver figura 4.16). Las anomalías estandarizadas de los aerosoles se han calculado a partir de los valores diarios registrados por el CIMEL de la red Aeronet en la ciudad de Palencia, a unos 40Km de Valladolid, y siguiendo la definición antes mencionada. Este comportamiento puede estar relacionado con las condiciones favorables existentes para el transporte de partículas desérticas hacia la península ibérica (di Sarra et al, 2004).
Por último, se comprueba la relación inversa existente entre cantidad de ozono y
radiación UV (Guarnieri et al, 2004). Para ello, en la gráfica 4.17 se ha representado la evolución de las anomalías estandarizadas de TOC y las de radiación UVT (partiendo de los valores diarios registrados en la estación, y de idéntica forma que las de TOC, GHT a 200mb y AOT a 870nm). Aunque no sea tan evidente como en los estudios de radiación UV-B (Antón et al., 2008; Palancar and Toselli, 2004), el ozono tiene un papel relevante ante la radiación UVT, de hecho puede verse en la gráfica como ambas magnitudes suelen tener un comportamiento inverso ante cambios bruscos de la contraria.
76
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Fecha
-3
-2
-1
0
1
2
3
Ano
mal
ías e
stan
dariz
adas
TOCUVT
Figura 4.17. Evolución temporal de las anomalías estandarizadas de la columna total de ozono (TOC, línea azul) y de la radiación UVT (UVT, línea morada) en el periodo febrero 2001 – junio 2008 en el
C.I.B.A., Valladolid. Las líneas continuas rojas marcan el límite de los casos extremos.
4.4. Influencia del vapor de agua en la radiación solar UV. Otro de los factores influyentes en los niveles de radiación solar ultravioleta que alcanzan la superficie terrestre es la cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera. Se mide en columna y se expresa en cm.
Existen diversos instrumentos que suministran un valor de la columna de agua precipitable, tanto terrestres como satélites. En cuanto a los terrestres, se disponen de datos de un fotómetro CIMEL, incluido en la red AERONET, desde el enero de 2003 hasta junio de 2008, y de un fotómetro solar manual Microtops-II desde agosto de 2007 a junio de 2008. En satélites, se disponen de datos del satélite NOAA 16, con el sensor ATOVS, para los años 2003 y 2004 facilitados por personal del DLR Team.
En primer lugar se realizará una validación de las medidas realizadas de la columna de agua precipitable del Microtops-II comparándolas con las del CIMEL. Posteriormente se estudiará la evolución temporal que presenta dicha columna en el C.I.B.A., estableciendo comparaciones entre diversos cálculos teóricos y las medidas registradas por diversos instrumentos. Finalmente, tras analizar los instrumentos que proporcionan un valor de la columna de agua precipitable, se realizará un análisis climatológico de esta variable para el periodo de medidas disponible.
77
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29Día de comparación
0
1
2
3
Col
umna
de
agua
pre
cipi
tabl
e (c
m)
CIMELMICROTOPS-II
Figura 4.18. Evolución temporal de la columna de agua precipitable registrada por los fotómetros CIMEL y Microtops-II durante el periodo de comparación, 25/6/2008 al 23/7/2008 en la Facultad de Ciencias de
la Universidad de Valladolid
4.4.1. Comparación MICROTOPS-II – CIMEL de la columna de agua precipitable. La figura 4.18 muestra la evolución de los 29 días de campaña (del 25/06/2008
al 23/07/2008) en los que se han comparado las medidas de la columna de agua precipitable registrada por los fotómetros CIMEL y Microtops-II. Como puede verse en la figura, el Microtops-II subestima el valor de columna de agua precipitable respecto del valor del CIMEL, aunque la evolución parece totalmente similar con ambos instrumentos.
0 0.4 0.8 1.2 1.6w - MICROTOPS-II (cm)
0
1
2
3
w -
CIM
EL (c
m)
Figura 4.19. Comparación de la columna de agua precipitable diaria medida por los fotómetros CIMEL y Microtops-II (puntos azules), durante el periodo de 25/6/2008 al 23/7/2008 en la Facultad de Ciencias de
la Universidad de Valladolid. La ecuación del ajuste lineal, línea azul, es la 4.5. La línea negra discontinua representa la recta de pendiente unidad.
78
A continuación se realiza una comparación entre los valores diarios suministrados por ambos fotómetros. En la figura 4.19, se representan los 20 valores diarios que se disponen de la columna de agua precipitable registrada por el CIMEL frente a los del Microtops-II. La línea azul continua de la gráfica se corresponde con el ajuste lineal de los datos, y su ecuación es la 4.5.
CIMEL M-IIw = (1.53 ± 0.11)w + (0.30 ± 0.10) (4.5)
Con un r2 = 0.92. Aunque se obtenga un buen coeficiente de correlación, la
pendiente que relaciona ambas medidas está muy lejos de la unidad. Resultados ligeramente peores a los encontrados por Campmany (2005) en un estudio similar en la ciudad de Barcelona, que obtiene una ecuación, con r2 = 0.943, de la forma:
CIMEL M-IIw = (1.25 ± 0.03)w - (0.8 ± 0.04) (4.6)
4.4.2. Comparación de datos de satélite con instrumentos terrestres y expresiones teóricas para la columna de agua precipitable.
Con las series de datos disponibles para la columna de agua precipitable, se establece una comparación para los años 2003-2004 entre los datos del satélite NOAA 16, los valores del CIMEL de la red AERONET situado en Palencia y con los calculados por la expresión teórica de Won (ecuación 1.7) con los datos de presión, temperatura y humedad relativa obtenidos en la estación C.I.B.A. La evolución temporal durante este periodo puede verse en la figura 4.20, y los resultados de dichas comparaciones están recogidos en la tabla 4.5.
2003 2004Fecha
0
1
2
3
4
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Col
umna
de
agua
pre
cipi
tabl
e (c
m)
CIMELNOAA-16WON
Figura 4.20. Seguimiento de la columna de agua precipitable en los años 2003 y 2004 con medidas del
fotómetro CIMEL, del satélite NOAA-16 y con la estimación teórica de Won para las medidas realizadas en la estación C.I.B.A.
79
Tabla 4.5. Comparaciones entre las medidas diarias de columna de agua precipitable llevadas a cabo por el fotómetro CIMEL, el satélite NOAA-16 y las calculadas por la expresión de Won durante 2003 y 2004. Se presentan los coeficientes del ajuste lineal, el coeficiente de correlación, el error cuadrático medio, en %, y el número de datos de la comparación.
Comparación a (pendiente) b (ordenada) /cm r2 RMSE (%) n CIMEL - Won 1.145 ± 0.033 -0.481 ± 0.053 0.746 23.525 411
NOAA-16 – CIMEL 1.013 ± 0.061 0.420 ± 0.086 0.471 41.067 309 NOAA16 - Won 1.367 ± 0.064 -0.403 ± 0.100 0.478 35.729 495
A la vista de estos resultados no pueden extraerse unos resultados fiables. La
mayor concordancia encontrada es del fotómetro CIMEL con la expresión teórica de Won, aunque el error cuadrático medio supere el 20%. En el futuro, se deberá ampliar la base de datos de comparación con satélites e intentar mejorar su calidad, con la adquisición de nuevos datos de otros satélites y sensores.
4.4.3. Estudio climatológico de la columna de agua precipitable sobre el C.I.B.A. Se sigue un proceso similar al desarrollado en el estudio climatológico del
ozono. Salvo que en este caso, tendremos dos medidas de la columna de agua precipitable. Visto los resultados del apartado anterior, se analizarán los dos valores, los proporcionados por el CIMEL de la red AERONET y por la expresión teórica de Won con medidas de la estación C.I.B.A. La evolución de las medidas mensuales para el periodo de medidas queda reflejada en la figura 4.21, dónde se puede observar un ciclo de la columna de agua precipitable, en el que los valores máximos se dan en verano y los mínimos en invierno.
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Fecha
0.4
0.8
1.2
1.6
2
2.4
Col
umna
de
agua
pre
cipi
tabl
e m
edia
men
sual
(cm
)
WONCIMEL
Figura 4.21. Evolución temporal de la columna de agua precipitable registrada por el fotómetro CIMEL
de la red AERONET y la calculada mediante la expresión teórica de Won con las medidas de la estación C.I.B.A., desde julio de 2002 a junio de 2008.
80
Tabla 4.6. Número de datos (n), media aritmética (m), mediana (md), desviación estándar (SD), coeficiente de variación o desviación estándar relativa (CV, en %), mínimo (min), máximo (max), primer cuartil (Q1), tercer cuartil (Q3), coeficiente de variación intercuartil (V, en %), sesgo (g, adimensional), percentil 5% (P5) y percentil 95% (P95) de las medias mensuales de la columna de agua precipitable registrada por el CIMEL de la red Aeronet y la calculada con la expresión teórica de Won con medidas de la estación C.I.B.A. Las unidades son cm, excepto las indicadas entre paréntesis.
n m md SD CV min max Q1 Q3 V g P5 P95 CIMEL 49 1.2 1.2 0.4 31.2 0.5 1.7 0.8 1.4 29.0 -0.1 0.6 1.7 WON 68 1.5 1.5 0.3 20.9 1.0 2.2 1.2 1.8 19.7 0.0 1.0 1.9
Para los datos del fotómetro CIMEL, la media mensual más elevada tuvo lugar
en septiembre de 2006, 1.72cm, mientras que el mínimo histórico se registró en febrero del mismo año con 0.52cm. El promedio de las medidas de este fotómetro durante el periodo enero 2003 – junio 2008 es de 1.16cm. En el caso de la columna de agua precipitable calculada mediante la fórmula de Won, se obtiene el valor máximo, en el periodo julio 2002 – junio 2008, en el mes de julio de 2006, cuando alcanza un valor de 2.17cm. El valor mínimo histórico se registró también en febrero de 2006, pero con un valor de 0.97cm. El valor promedio para esta base de datos es de 1.50cm. Los valores promedios de ambas columnas difieren en algo más de un 20%. En la tabla 4.6 se presenta un cuadro resumen con los parámetros estadísticos más relevantes.
Siguiendo la definición de anomalías estandarizadas explicada anteriormente, se
calculan éstas para la columna de agua precipitable con los datos diarios del fotómetro CIMEL y con los datos diarios obtenidos de la ecuación de Won. La evolución temporal puede verse en la figura 4.22. Se han registrado 17 casos extremos según las medidas del CIMEL, y 15 con la expresión de Won. La forma de la curva es similar con ambos valores.
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Fecha
-4
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0
2
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as c
olum
na d
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reci
pita
ble
CIMELWON
Figura 4.22. Evolución temporal las anomalías estandarizadas de la columna agua precipitable con el fotómetro CIMEL y con los cálculos teóricos de la expresión de Won. Las líneas rojas horizontales
marcan los casos extremos de ozono.
81
4.5. Influencia del espesor óptico de aerosoles en la radiación solar UV
El último de los factores que ejercen influencia sobre la radiación solar ultravioleta que llega a superficie es el espesor óptico de aerosoles (AOT).
De los diversos instrumentos que proporcionan medidas de AOT, en este trabajo se estudian los datos proporcionados por el fotómetro CIMEL de la red AERONET y el fotómetro solar manual Microtops-II. El objetivo de esta sección es el de establecer una comparación entre estos dos equipos.
Para comparar los datos de ambos instrumentos, se utilizan los datos recogidos durante la campaña realizada entre el 25/06/2008 y el 23/07/2008 en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid. La figura 4.23 muestra la evolución del espesor óptico de aerosoles a 1020nm, durante los 29 días de la campaña, registrado por los dos fotómetros. Es fácil ver como el Microtops-II parece sobre-estimar el espesor óptico de aerosoles. Lo cual tiene sentido, ya que ambos instrumentos no calculan de igual forma este parámetro. En el caso del CIMEL, se trata de un “espesor óptico de aerosoles”, restando las contribuciones del espesor total, la dispersión Rayleigh y las absorciones del ozono, del dióxido de nitrógeno, de la mezcla de gases y del vapor de agua (únicamente se desprecia la contribución del nitrógeno). Mientras que, el Microtops-II considera despreciables la dispersión Rayleigh y las absorciones del vapor de agua, del dióxido de nitrógeno y la del ozono para 1020nm (Campmany, 2005).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29Día de comparación
0
0.1
0.2
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0.4
Espe
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o de
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102
0nm
CIMELMICROTOPS-II
Figura 4.23. Evolución temporal del espesor óptico de aerosoles a 1020nm registrada por los fotómetros
CIMEL y Microtops-II durante el periodo de comparación, 25/6/2008 al 23/7/2008 en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid.
82
Se calculan los datos diarios de AOT a 1020nm con ambos fotómetros, y se realiza la comparación que puede verse en la figura 4.24.
Con los 20 datos diarios disponibles se realiza una regresión lineal, resultando la
ecuación 4.7 (línea roja continua en la figura 4.24).
CIMEL M-II1020nm 1020nmAOT = (0.90 ± 0.05)AOT - (0.04 ± 0.01) (4.7)
Con un r2 = 0.94. A pesar de estos buenos resultados, no conviene olvidar lo
anteriormente reseñado, los algoritmos seguidos para la obtención del espesor óptico de aerosoles son distintos en ambos fotómetros.
0 0.1 0.2 0.3 0.4AOT 1020nm - MICROTOPS-II
0
0.1
0.2
0.3
0.4
AO
T 10
20nm
- C
IMEL
Figura 4.24. Comparación del espesor óptico de aerosoles a 1020nm diario, medido por los fotómetros
CIMEL y Microtops-II (puntos y línea rosas), durante el periodo de 25/6/2008 al 23/7/2008 en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid. La línea negra discontinua representa la recta de
pendiente unidad.
83
Capítulo 5: Modelización de la radiación solar UVT Una vez analizados los parámetros que tienen influencia sobre la radiación UVT, se trata de relacionar éstos con los niveles de radiación ultravioleta total que alcanza la superficie terrestre. Por tanto, el objetivo de este capítulo es el de conseguir una buena estimación de los valores de irradiación UVT. Se proponen distintos modelos empíricos, usando distintas variables como la irradiación UVT extraterrestre, la irradiación UVT en cielos despejados, la masa óptica, la transmitancia hemisférica global y la columna total de ozono.
5.1. Metodología Para desarrollar modelos que proporcionen una estimación de la radiación solar ultravioleta total (UVT) es necesario realizar las siguientes tareas:
En primer lugar, se formulan las expresiones adecuadas que relacionen la irradiación UVT con los principales factores atmosféricos que presentan influencia en dicha radiación.
Se aplica cada expresión seleccionada a un conjunto de datos con el fin de construir el modelo empírico. Este conjunto, es el formado por los datos horarios de los años 2001, 2003, 2004, 2005 y 2008 (hasta junio). Siendo en total 11144 datos horarios.
Una vez construido el modelo, con el fin de estimar su error, se procede a una validación del mismo, comparando los valores estimados con los medidos sobre un conjunto de datos diferente al de su construcción. Para ello se seleccionan los datos de los años 2002, 2006 y 2007, con un total de 2549 datos horarios. Por último, se calculan los índices estadísticos MBE y RMSE (definidos en el Anexo 1).
84
Para simplificar la notación, en las expresiones de los modelos denotaremos la radiación UVT como UV.
5.2. Modelo empírico lineal de UVT con la radiación solar global horizontal Basándonos en la relación lineal existente entre la radiación UVT y la global,
encontrada en el capítulo 3, el primer modelo propuesto, Modelo UVT-CIBA-0, es de la forma
UV = n G (5.1)
Aplicando el conjunto de datos de construcción, se obtiene la siguiente pendiente
UV = 0.042 G (5.2)
Al validar el modelo se obtiene un MBE de un 2.80% y un RMSE del 15.58%.
Resultados que conviene mejorar, de ahí que se propongan nuevos modelos, algo más complejos.
5.3. Modelos empíricos de UVT usando radiación extraterrestre
Estos modelos están basados en la definición de la transmitancia hemisférica para el UV (ecuación 4.3), sin más que despejar la radiación sobre la superficie se obtiene la ecuación 5.3.
UV = ktuv UV0 (5.3) Conviene recordar que la radiación extraterrestre, UV0, se calcula a partir de la expresión 1.9.
Ahora bien, como resulta conveniente relacionar las medidas de UV con medidas de otras variables (como la radiación global), por razones ya comentadas, uno de los objetivos de este capítulo es el de buscar la relación más adecuada entre ktuv y kt para conseguir mejorar los resultados de la estimación de radiación UVT dada por los modelos.
85
Tabla 5.1. Parámetros “a” y “b” de la ecuación 5.3 para distintas elevaciones solares. Se presentan también el índice de correlación (r2) y el número de datos (n) para cada rango de elevación.
Elevación Solar a b r2 n 10º-15º -0.727 0.666 0.86 1208 15º-20º -0.655 0.699 0.91 1099 20º-25º -0.599 0.722 0.94 1510 25º-30º -0.539 0.754 0.95 1251 30º-35º -0.493 0.780 0.95 980 35º-40º -0.453 0.794 0.94 1107 40º-45º -0.446 0.770 0.92 724 45º-50º -0.400 0.810 0.92 880 50º-55º -0.371 0.834 0.92 564 55º-60º -0.353 0.840 0.94 681 60º-65º -0.340 0.848 0.94 449 65º-70º -0.323 0.867 0.94 542 70º-75º -0.319 0.850 0.92 149
5.3.1. Relación exponencial entre las transmitancias ktuv y kt. La primera relación escogida, a la vista de los resultados de la sección 4.2.2, es una relación exponencial, ecuación 5.4, que resulta ser la utilizada por otros autores (Murillo et al., 2003; Foyo-Moreno et al., 1999).
(5.4) a + b Ln(k )ttuvk = e
Al realizar esta regresión, para distintos rangos de elevación solar, se encuentra
una dependencia de los coeficientes “a” y “b” con la masa óptica (m), tal y como puede verse en la Tabla 5.1. De la ecuación 5.3, y de ver cómo varía el coeficiente b, se puede deducir que el índice de claridad para el UV experimenta un aumento relativo mayor que el índice de claridad global cuando la masa óptica decrece (Foyo-Moreno et al., 1999; Murillo et al., 2003).
Después de asignar a cada categoría de elevación solar su valor medio, se relacionan estos coeficientes con la masa óptica (m), resultando las expresiones 5.5 y 5.6 para los coeficientes “a” y “b”.
, con r2 = 0.99 (5.5) a = -(0.3312 ± 0.0050) - (0.2847 ± 0.0072) Ln(m)
= (0.8579 ± 0.0059) - (0.1326 ± 0.0085) Ln(m)
a bLn kth 0hUV UV e + ( )=
, con r2 = 0.96 (5.6) b
Una vez obtenido estos resultados, recurriendo a la ecuación 5.3, se puede establecer el primer modelo empírico de la irradiación UVT horaria, Modelo UVT-CIBA-1, según expresa la ecuación 5.7.
(5.7)
Donde el subíndice “h” hace referencia a datos horarios, el “0” a radiación
extraterrestre y siendo los coeficientes “a” y “b” los de las expresiones 5.5 y 5.6.
86
0 40 80 120 160Irradiación UVT horaria medida (kJ m-2)
0
40
80
120
160
MO
DEL
O-U
VT-
CIB
A-1
(kJ m
-2)
Figura 5.1. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo UVT-CIBA-1 y la
registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., en kJ m-2. La línea continua representa la regresión lineal ente ambas cantidades, cuya ecuación es la 5.8.
Procediendo ahora a evaluar el modelo, se calculan los parámetros MBE y RMSE, obteniendo unos valores del -2.71% y del 9.97%, respectivamente. Vemos como se ha reducido de forma considerable el error que se cometía con el Modelo UVT-CIBA-0. En la figura 5.1 puede verse la representación de los valores estimados con el modelo frente a los medidos en la estación, la línea continua se corresponde con la regresión lineal entre ambas magnitudes y cuya expresión es la ecuación 5.8.
UVTest = 0.9649 UVTmed + 0.3958, con r2 = 0.98 (5.8)
Donde UVTest representa la estimación proporcionada por el modelo, mientras
que UVTmed es el valor horario medido por el sensor en la estación C.I.B.A. Otros autores han encontrado otras expresiones para los parámetros “a” y “b” de este tipo de modelos. Siendo los encontrados por Murillo et al., (2003) los más parecidos en la forma, ecuaciones 5.9 para la ciudad Córdoba. Foyo-Moreno et al., (1999), en la ciudad de Granada, propone otro tipo de expresión para estos coeficientes, ecuaciones 5.10.
a = -0.11 - 0.24 Ln(m) (5.9)
b = 0.84 - 0.08 Ln(m)
a = -0.851 + 0.433 e-(m-0.97)/1.85 + 0.433 e-(m-0.97)/1.86 (5.10)
b = 0.610 + 0.271 e-(m-1.05)/1.62
87
Tabla 5.2. Evaluación de los modelos tipo ecuación 5.7 encontrados en la bibliografía.
Modelo Ecuaciones MBE (%) RMSE (%) Foyo-Moreno et al., 1999 5.10 -2.79 9.92
Murillo et al., 2003 5.9 6.73 12.59
Se han evaluado estos modelos encontrados en la bibliografía con el conjunto de datos de validación. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 5.2, donde puede verse como el modelo propuesto por Foyo-Moreno et al., (1999), ecuaciones 5.10, proporciona unos muy buenos resultados, similares a los obtenidos mediante el Modelo-UVT-CIBA-1. Por el contrario, el modelo propuesto por Murillo et al., (2003) para la ciudad de Córdoba empeora de forma notable los resultados.
5.3.2. Relación potencial entre la transmitancia hemisférica del UV, la del global y la masa óptica.
Otra alternativa, la desarrollan con buenos resultados Barbero et al., (2006). Se trata de relacionar directamente la transmitancia hemisférica para el UV, ktuv, con dos variables independientes (la transmitancia hemisférica global, kt, y la masa óptica, m) de la forma expresada en la ecuación 5.11.
cbttuv m k a=k
0.7487 0.1926h 0h tUV = UV 0.6853 k m-
0.771 0.254h 0h tUV = UV 0.712 k m-
(5.11)
Siendo “a”, “b” y “c” los parámetros a ajustar. Y, sin más que usar la definición de transmitancia hemisférica para el UV, ecuación 5.3, se obtiene para la estación C.I.B.A. el Modelo-UVT-CIBA-2 dado por la ecuación 5.12.
(5.12)
Barbero et al., (2006), en su modelo, en la ciudad de Almería, para la
transmitancia hemisférica del UV, obtiene unos coeficientes muy similares a los del Modelo-UVT-CIBA-2, tal y como puede verse en la ecuación 5.13.
(5.13)
Se procede ahora a la validación de ambos modelos calculando los errores MBE y RMSE. Los resultados es incluyen en la tabla 5.3. Como era de esperar, los resultados son similares, siendo mejores para el Modelo-UVT-CIBA-2, ecuación 5.12. Respecto al Modelo-UVT-CIBA-1, se ha conseguido reducir el MBE de un -2.71% a un -0.49%, el RMSE apenas se ha reducido una décima.
88
Tabla 5.3. Evaluación de los modelos 5.12 y 5.13, siendo el primero el Modelo-UVT-CIBA-2 y el segundo encontrado en la bibliografía.
Modelo Ecuaciones MBE (%) RMSE (%) UVT-CIBA-2 5.12 -0.49 9.83
Barbero et al., (2006) 5.13 -2.03 9.91 La comparación entre los valores estimados con el Modelo-UVT-CIBA-2 y los valores registrados en la estación C.I.B.A. puede verse en la gráfica 5.2. El ajuste lineal obtenido se corresponde con la ecuación 5.14 (línea continua de la misma gráfica).
UVTest = 0.9667 UVTmed + 1.4089, con r2 = 0.97 (5.14)
Donde UVTest representa la estimación proporcionada por el modelo, mientras que UVTmed es el valor horario medido por el sensor en la estación C.I.B.A.
0 40 80 120 160Irradiación UVT horaria medida (kJ m-2)
0
40
80
120
160
MO
DEL
O-U
VT-
CIB
A-2
(kJ m
-2)
Figura 5.2. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo UVT-CIBA-2 y la
registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., en kJ m-2. La línea continua representa la regresión lineal ente ambas cantidades, cuya ecuación es la 5.14.
89
5.3.3. Relación entre la transmitancia hemisférica del UV, la del global, la elevación solar y el ozono.
Como ya se ha comentado en anteriores capítulos, los tres factores más
importantes en la modulación de la radiación UV son la nubosidad, la altura solar y la concentración de ozono. Por eso, en esta propuesta de modelo empírico se trata de relacionar la transmitancia hemisférica para el UV (ktuv) con la transmitancia hemisférica global (kt) y la columna total de ozono estratosférico diaria (TOC, en DU) para un rango de elevación solar fijo. El rango de elevación solar elegido es entre 15 y 20º (15º<h<20º). El dato de la columna de ozono, se elije diario, por lo demostrado en la sección 4.3.3 de este trabajo. Y cabe destacar que, se ha tomado la estimación proporcionada por los sensores TOMS-OMI de la N.A.S.A. desde febrero 2001 a junio 2008.
Como se ha limitado la elevación solar al rango 15º-20º, el número total de datos disponibles en el periodo de medidas es de 1360. Con lo que, necesariamente, se han cambiado los conjuntos de construcción y validación del modelo. Para la construcción se han seleccionado 1180 datos horarios correspondientes al periodo comprendido entre febrero de 2001 y diciembre de 2007. Mientras que par la validación del mismo, se han tomado los datos correspondientes a la primera mitad del año 2008, siendo un total de 180 datos horarios.
Considerando los procesos de atenuación de la radiación UV como aditivos
(Antón, 2007), la transmitancia para el UV se puede escribir como el producto de las transmitancias debidas al índice de claridad y al ozono. Por esto, se propone la expresión 5.15 para el ktuv.
b c
tuv tk a k TO = C (5.15) Y, volviendo a recurrir a la ecuación 5.3, se llega a una expresión general como muestra la ecuación 5.16.
b ch 0h tUV = UV a k TOC (5.16)
Aplicando ahora el conjunto de datos de la estación C.I.B.A. antes explicado, se propone la ecuación 5.17 como el Modelo-UVT-CIBA-3.
0.6885 -0.0306h 0h tUV = UV 0.6141 k TOC (5.17)
90
0 10 20 30 40 5I
0rradiación UVT horaria medida (kJ m-2)
0
10
20
30
40
50
MO
DEL
O-U
VT-
CIB
A-3
(kJ m
-2) Elevación Solar
15º < h < 20º
Figura 5.3. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo UVT-CIBA-3 y la
registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., en kJ m-2, para una elevación solar comprendida entre 15 y 20º. La línea continua representa la regresión lineal ente ambas cantidades, cuya ecuación es la 5.18.
En la expresión 5.17 destaca el exponente tan pequeño al que está elevada la columna de ozono estratosférico. Lo cual indicaría que el ozono no sería demasiado relevante para la radiación UVT. En cambio, en otros estudios de radiación eritemática, esta columna juega un papel mucho mayor (Antón, 2007; Bilbao et al., 2006; Palancar et al., 2004; Guarnieri et al., 2004 y Lam et al., 2002). Realizando la validación de este nuevo modelo, se obtiene un MBE = -3.34% y un RMSE = 7.84%. Con lo que la introducción del ozono no ha conseguido mejorar demasiado la predicción de la irradiación UVT. En la figura 5.3 se representan los valores estimados con el Modelo-UVT-CIBA-3 frente a los valores registrados en la estación radiométrica C.I.B.A. La regresión lineal, línea continua de la gráfica, presenta la ecuación 5.18.
UVTest = 0.9482 UVTmed + 0.5030, con r2 = 0.96 (5.18)
Donde UVTest representa la estimación dada por el Modelo-UVT-CIBA-3,
mientras que UVTmed es el valor horario medido en la estación C.I.B.A.
5.4. Modelo de UVT para cielos despejados El siguiente tipo de modelos empíricos no usa la radiación UVT extraterrestre. La elevación solar por sí sola no puede dar una correcta determinación de la radiación UV (Foyo-Moreno et al., 1999; Murillo et al., 2003). Tal y como pudo observarse en la Figura 4.1, existe una gran dispersión en los datos de radiación UV frente a la masa óptica. Sin bien es cierto que la radiación disminuye al aumentar la masa de aire. Como es lógico, en condiciones de cielos despejados tendremos los valores más altos de radiación UV.
91
0 1 2 3 4 5Masa óptica de ai
6re
0
40
80
120
160
200
Irra
diac
ión
UV
T ho
raria
(kJ m
-2)
Cielos despejados (kt > 0.8)
Figura 5.4. Radiación solar ultravioleta horaria (kJ m-2) en función de la masa óptica de aire calculada en el punto medio del intervalo horario para cielos despejados, kt>0.8, durante el periodo de medidas febrero
2001 – junio 2008 en el C.I.B.A., Valladolid.
Siguiendo la clasificación del índice de claridad dada por Cañada et al, (2000),
se selecciona como “hora despejada” aquella que tenga un kt>0.8. Se elige esta clasificación para tener la seguridad de que los datos se corresponden con cielos despejados. En la Figura 5.4 se puede ver como para cielos despejados existe una menor dispersión en las medidas de radiación UV frente a la masa óptica. Con lo que el objetivo de esta sección será el de obtener un modelo que nos proporcione una buena estimación de la irradiación UVT bajo cielos despejados. El total de horas con un índice de claridad global superior a 0.8 son 271. Con lo que se hace necesario tomar otros conjuntos de construcción y validación a los usados anteriormente. Se va a construir el modelo con 189 datos horarios correspondientes desde febrero de 2001 hasta diciembre de 2007, y para validarlo se usarán los 82 datos horarios que se disponen en los seis primeros meses de 2008. En la Figura 5.4 se puede ver como para cielos despejados casi no existe dispersión en las medidas de radiación UV frente a la masa óptica. El modelo que mejor relaciona la radiación UV horaria bajo cielos despejados (UVdesp-h) con la masa óptica de aire (m), tras un análisis exhaustivo de los datos, es el que indica la ecuación 5.19.
desp-h 2192.97 7.49
UV = 21.44 + m m
(5.19)
Realizando la validación de este modelo, con el conjunto de datos del primer
semestre de 2008, se obtiene un error MBE = 0.72% y un error RMSE = 2.44%. Siendo unos excelentes resultados.
92
0 40 80 120 160 200Irradiación UVT horaria medida (kJ m-2)
0
40
80
120
160
200
MO
DEL
O-U
VT-
CIB
A-D
ESP
(kJ m
-2)
Figura 5.5. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por el Modelo UVT-CIBA-Desp y la
registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., en kJ m-2, para cielos despejados (kt>0.8). La línea continua representa el ajuste lineal, cuya ecuación es la 5.21.
Otros autores proponen otro tipo de expresiones para cielos despejados. Por ejemplo, Murillo et al., (2003), proponen una relación potencial entre la irradiación UVT y la masa óptica de aire. Buscando una relación de este tipo en la base de datos de la estación C.I.B.A., el resultado obtenido es la ecuación 5.20.
-1.32
desp-hUV = 172.74 m (5.20)
Validando esta nueva expresión, se obtienen unos errores significativamente mayores (MBE = -6.05% y RMSE = 6.64%). Con lo que, finalmente, el modelo elegido como mejor estimación de irradiación UVT horaria, Modelo-UVT-CIBA-Desp, es el representado por la ecuación 5.19. En la figura 5.5 se comparan los valores estimados por este modelo frente a los medidos en la estación. La línea continua de la gráfica, ecuación 5.21, representa la regresión lineal entre ambos valores.
UVTdesp-est = 1.0053 UVTdesp-med + 0.2221, con r2 = 1.00 (5.21)
Donde UVTdesp-est representa la estimación proporcionada por el modelo bajo cielos despejados, mientras que UVTdesp-med es el valor horario medido por el sensor en la estación C.I.B.A.
93
5.5. Modelos UVT usando la irradiación en cielos despejados (UVdesp-h). Una vez obtenido el valor de de la radiación UVT para cielos despejados, a
través del MODELO-UVT-CIBA-DESP (ecuación 5.19), el valor real dependerá de la situación atmosférica dada. Para tener en cuenta estas condiciones, el parámetro utilizado es la transmitancia hemisférica global, kt, que puede considerarse como un modulador del valor que se obtendría en condiciones de cielo despejado.
Se buscan las relaciones que proporcionen una mejor estimación de la irradiación UVT horaria en función de la irradiación UVT bajo condición de cielo despejado, del índice de claridad (kt) y de la masa óptica de aire (m). Las relaciones encontradas son las presentadas en las ecuaciones de la 5.22 a la 5.26.
( )h tUV 6 249 1 222 k UV -= . + . desp h (5.22)
( 2h tUV 1.055 1.018 k UV = + )desp-h
sp h
t
(5.23)
( )1 038h t deUV 7 912 1 016 k UV
.-= . + . (5.24)
0 842 0 749
h desp hUV 2 434 UV k . .-= . (5.25)
0 1682 0 742 1 406
h desp h tUV 2 434 UV k m - . . .-= . (5.26)
La validación de estas cinco expresiones propuestas se puede encontrar en la tabla 5.4. Donde se puede apreciar como los resultados obtenidos empeoran ligeramente respecto a los modelos que usaban la radiación extraterrestre. De las cinco ecuaciones, la que suministra un RMSE más bajo es la ecuación 5.26. De ahí que sea la elegida como el Modelo-UVT-CIBA-4. Tabla 5.4. Evaluación de las ecuaciones 5.22 a 5.26 con el conjunto de datos de validación de la base de datos de la estación solar C.I.B.A.
Ecuación MBE (%) RMSE (%)5.22 -0.88 10.86 5.23 -0.38 10.89 5.24 -0.88 10.83 5.25 -0.32 10.78 5.26 -2.57 10.08
94
0 40 80 120 160Irradiación UVT horaria medida (kJ m-2)
0
40
80
120
160
MO
DEL
O-U
VT-
CIB
A-4
(kJ m
-2)
Figura 5.6. Comparación entre la irradiancia UVT horaria estimada por a través del Modelo-
UVT-CIBA-4 y la registrada en la estación radiométrica C.I.B.A., en kJ m-2. La línea continua representa el ajuste lineal, cuya ecuación es la 5.27.
En la figura 5.6 puede verse la relación entre los valores estimados por este nuevo modelo y los registrados en la estación de medida. La línea continua de la gráfica, ecuación 5.27, representa el ajuste lineal entre ambas cantidades.
UVTest = 0.9597 UVTmed + 0.7236, con r2 = 0.97 (5.27)
Donde UVTest representa la estimación proporcionada por el Modelo-UVT-CIBA-4, mientras que UVTmed es el valor horario registrado en la estación C.I.B.A.
5.5. Comparativa y resumen de los modelos propuestos de radiación UVT.
A continuación se detalla una relación con los distintos modelos propuestos a lo largo de este capítulo. En primer lugar, el modelo para condiciones de cielo despejado, Modelo-UVT-CIBA-DESP, viene dado por la ecuación 5.28.
desp-h 2UV = 21.44 + m m
192.97 7.49 (5.28)
Donde UVdesp-h es la irradiación horaria bajo cielos despejados y m la masa óptica de aire.
95
En vista a las relaciones empíricas encontradas en el capítulo 3 entre la radiación UVT y la radiación global, el primer modelo propuesto para cualquier condición atmosférica, Modelo-UVT-CIBA-0, viene dado por una relación lineal entre ambas, ver ecuación 5.29.
UV = 0.042 G (5.29)
Donde UV denota a la irradiación UVT horaria y G a la irradiación global horaria. Como este modelo proporciona un valor elevado del estadístico RMSE (superior al 15%), conviene buscar otras relaciones que mejoren este resultado. En primer lugar se recurre a la transmitancia hemisférica para el ultravioleta horaria, ktuv, que estaba definida como el cociente entre la irradiación UVT horaria medida en superficie (UVh) y la radiación UVT extraterrestre que llega a la atmósfera durante esa hora (UV0h). Usando distintas relaciones entre esta variable y su análoga para el global, kt, se proponen dos nuevos modelos. El primero de ellos se basa en una relación exponencial entre la transmitancia del UV y la del global, resultando el Modelo-UVT-CIBA-1, ecuación 5.30.
a bLn kth 0hUV UV e + (= ) 5.30)
Donde los coeficientes “a” y “b” vienen dados por las ecuaciones 5.31 y 5.32, respectivamente.
a = -0.33 - 0.28 Ln(m) , con r2 = 0.99 (5.31)
b = 0.86 - 0.13 Ln(m) , con r2 = 0.96 (5.32)
Mientras que, el segundo de estos modelos propone una relación potencial entre la transmitancia hemisférica del UV horaria y los siguientes parámetros: transmitancia hemisférica global horaria y masa óptica relativa de aire (m). Surge la ecuación 5.33 como expresión del Modelo-UVT-CIBA-2.
(5.33) 0.75 0.19h 0h tUV = UV 0.69 k m-
Con esta última idea de relación potencial, se trata ahora de introducir la dependencia de la columna total de ozono con la radiación UVT con el fin de mejorar las estimaciones proporcionadas por los modelos. Si se limita al rango de elevación solar comprendida entre 15º y 20º. La ecuación 5.34 representa al Modelo-UVT-CIBA-3.
0.69 -0.03h 0h tUV = UV 0.61 k TOC (5.34)
96
Por último, utilizando el Modelo-UVT-CIBA-DESP, para cielos despejados, junto con otras variables como el índice de claridad y la masa óptica se ha encontrado el Modelo-UVT-CIBA-4. La ecuación 5.35 muestra la expresión de este modelo.
0 17 0 74 1 41h desp h tUV 2 43 UV k m - . .
-= . . (5.35)
En la tabla 5.5 puede verse un resumen con todos los modelos propuestos en este capítulo junto con los valores de los estadísticos MBE y RMSE, obtenidos en el proceso de validación de cada uno de los modelos. Tabla 5.5. Tabla resumen con los modelos propuestos para la radiación solar UVT horaria en la estación solar C.I.B.A.
Modelo Ecuaciones MBE (%) RMSE (%)UVT-CIBA-DESP 5.28 0.72 2.44
UVT-CIBA-0 5.29 2.80 15.58 UVT-CIBA-1 5.30 -2.71 9.97 UVT-CIBA-2 5.33 -0.49 9.83 UVT-CIBA-3 5.34 -3.34 7.84 UVT-CIBA-4 5.35 -2.57 10.08
97
Capítulo 6: Conclusiones y líneas futuras de investigación
A continuación se resumen los principales resultados y conclusiones obtenidos en este trabajo de investigación:
Se ha realizado un análisis estadístico de la radiación solar global así como de la radiación solar ultravioleta total, encontrando que ambas siguen un patrón sinusoidal con máximos en los meses de verano y mínimos en los de invierno. Durante un año promedio, la radiación solar global acumulada alcanza un valor de 5.8 GJ m-2, mientras que la radiación solar ultravioleta total acumulada es de 244.5 MJ m-2. Con lo que sobre la estación de medida C.I.B.A. la radiación UVT es un 4.2% sobre de la radiación solar global que alcanza la superficie.
Analizando la nubosidad, como variable que ejerce una fuerte influencia en la
radiación UV, a través de las transmitancias hemisféricas kt y ktuv se encuentra que, la transmitancia hemisférica para el UV representa casi un 70% de la transmitancia hemisférica global. Estudiando la dependencia de la relación UV/G en función de la nubosidad se ha demostrado como la transmitancia hemisférica para el UV, no se ve tan afectada por las nubes como la transmitancia hemisférica global.
Otra variable estudiada, dada su conocida relación con la radiación UV, es el
ozono estratosférico. Se han realizado distintas comparaciones entre instrumentos que suministran datos de la columna total de ozono: un Brewer, dos sensores abordo de satélites (TOMS/OMI y GOME-2) y el fotómetro solar manual Microtops-II. Obteniendo buenos resultados en todas ellas. Con los datos suministrados por los sensores TOMS y OMI de la N.A.S.A. se ha realizado un estudio climatológico de la columna total de ozono sobre la estación solar C.I.B.A. que ha revelado un descenso en esta columna en las últimas décadas. Por último, se ha comprobado la relación inversa existente entre el ozono y otras variables como la altura geopotencial a 200mb, el espesor óptico de aerosoles y la radiación solar global UVT.
98
Se han realizado una serie de comparaciones entre distintas técnicas que proporcionan un valor del vapor de agua en columna. La mayor concordancia encontrada es del fotómetro CIMEL con la expresión teórica de Won, aunque el RMSE supera el 20% la evolución de las medias mensuales y de las anomalías estandarizadas es muy similar.
Se ha realizado una campaña de comparación entre las medidas de columna de
vapor de agua y de espesor óptico de aerosoles a 1020nm realizadas por los fotómetros CIMEL y Microtops-II. Durante los 29 días de la campaña, se ha observado como este último subestima la columna de vapor de agua respecto al CIMEL. Mientras que ocurre lo contrario con el espesor óptico de aerosoles, debido a los diferentes algoritmos que tienen los instrumentos para calcular este espesor.
Finalmente, se han realizado distintas propuestas de modelos empíricos que
producen una estimación de la radiación UVT (ver tabla 5.5). Se ha modelizado la radiación UVT bajo cielos despejados (Modelo-UVT-CIBA-DESP). Se ha relacionado dicha radiación con variables como la nubosidad (a través de kt) y la elevación solar (cuantificada en la masa óptica relativa de aire). Los errores cometidos por los modelos propuestos son similares, siendo ligeramente menores los obtenidos por el Modelo-UVT-CIBA-2.
Las líneas futuras de investigación se centrarán en realizar un estudio similar al
hecho en este trabajo pero utilizando los datos de la estación C.I.B.A. de radiación eritemática, la más dañina para los seres vivos. Se construirá un modelo empírico que pueda ser utilizado para la estimación y predicción del índice ultravioleta (UVI) de manera fiable en la comunidad de Castilla y León. Para tal fin también se estudiarán los modelos de transferencia radiativa existentes: UVA-GOA, TUV, SBDART,… Con lo que se va a necesitar un buen conocimiento de los parámetros de entrada: columna total de ozono, vapor de agua en columna y espesor óptico de aerosoles. Por lo que se completarán las bases de datos utilizadas en este trabajo, añadiéndose otras nuevas procedentes de otros instrumentos. Por ejemplo, se dispondrán de diez años de medidas (1995-2005) del sensor GOME/ERS2 de la columna total de ozono que han sido testados y validados con muy buenos resultados en estudios recientes (Balis et al., 2007; Antón et al., 2008).
99
Anexo 1: Parámetros estadísticos A continuación se detallan las definiciones usadas para el cálculo de los diversos
parámetros usados en el análisis estadístico.
Media aritmética (m) Es una medida de tendencia central, se calcula como sigue:
n
ii=1
xm =
Σn
(A1.1)
Siendo n el número de datos de la serie a tratar y xi cada uno de los datos.
Desviación estándar
Es una medida de dispersión. Su definición es:
n2
ii=1
(x - m)SD =
Σn -1
(A1.2)
Donde n es el número de datos de la serie a tratar, xi cada uno de los datos y m el valor medio.
100
Mediana (md)
Se define como el valor que deja a izquierda y derecha el mismo número de datos. Una vez ordenados los datos en orden creciente o decreciente, si el número de datos es impar, la mediana es el valor central; y si es par, la mediana es el valor medio de los dos valores centrales. Es una medida de tendencia central.
Coeficiente de variación o desviación estándar relativa
Mide la magnitud de la desviación estándar respecto del valor medio en tanto por uno, sólo está definida si el valor medio es positivo.
SD
CV =m
(A1.3)
Donde SD es la desviación estándar y m el valor medio.
Primer cuartil (Q1)
Es el dato que deja el 25% de los datos por debajo.
Tercer cuartil (Q3)
Es el dato que deja el 75% de los datos por debajo. Rango intercuartil
Es la diferencia entre el tercer y el primer cuartil.
Coeficiente de variación intercuartil
Se define, en tanto por uno, como:
3 1
3 1
Q - QV =
Q + Q (A1.4)
Donde Q1 y Q3 son el primer y el tercer cuartil, respectivamente.
Percentil 5%
Es el dato que deja al 5% por debajo.
101
Percentil 95% Es el dato que deja al 95% por debajo.
Sesgo
Es una medida de la asimetría calculada como sigue:
n3
ii=1
3
n (x - m)g =
(n -1)(n - 2) SD
Σ
(A1.5)
Siendo n el número de datos de la serie a tratar, xi cada uno de los datos, m el
valor medio y SD la desviación estándar. Curtosis
Hace referencia a cuán puntiaguda es una distribución comparada con una curva
en forma de campana. Valores cercanos a cero se corresponden con formas cercanas a este tipo de curvas. Si es positiva, indica que tiene un pico más acusado en el centro y unas colas más largas que la normal. Y si es negativa, es más plana que lo normal con colas más cortas. Se calcula como sigue:
n4
2ii=1
4
n(n +1) (x - m) 3(n -1)k = -
(n -1)(n - 2)(n -3) SD (n - 2)(n -3)
Σ
(A1.6)
Donde n es el número de datos de la serie a tratar, xi cada uno de los datos, m el
valor medio y SD la desviación estándar. A la hora de validar los modelos propuestos a lo largo de este trabajo de
investigación se utilizan los estadísticos Mean Bias Error (MBE) y Root Mean Square Error (RMSE) definidos como se muestra en las ecuaciones A1.7 y A1.8, respectivamente, (Miguel et al., 2001).
( )n
est1
med
X100
MBE(%) =nX
Σ med- X (A1.7)
102
( )n 2
est1
med
X100
RMSE(%) =nX
Σ med- X (A1.8)
Donde Xest es la estimación proporcionada por el modelo a validar, Xmed el valor de la variable medida en la estación y medX el valor medio de esta variable.
103
Anexo 2: Espectro solar extraterrestre En este trabajo de investigación se ha utilizado el espectro solar de Gueymard,
(2004), accesible vía web (http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am0/special.html). La longitud de onda (λ) está en nm, mientras que la irradiancia (I) está en W m-2 nm-1. En la tabla A2.1 se muestra este espectro para la región del UVT (290-385nm).
Tabla A2.1. Espectro solar en la región del UV de Gueymard, (2004).
λ I λ I λ I λ I λ I λ I λ I 290 0.618 304 0.577 318 0.634 332 1.01 346 0.864 360 1.19 374 1.08
290.5 0.646 304.5 0.648 318.5 0.682 332.5 0.972 346.5 0.977 360.5 0.948 374.5 0.892 291 0.61 305 0.673 319 0.753 333 0.979 347 1.04 361 0.863 375 0.866
291.5 0.602 305.5 0.612 319.5 0.683 333.5 0.916 347.5 0.841 361.5 0.99 375.5 1.29 292 0.573 306 0.542 320 0.836 334 0.942 348 0.96 362 0.853 376 1.07
292.5 0.497 306.5 0.586 320.5 0.908 334.5 1.04 348.5 0.959 362.5 1.18 376.5 1.11 293 0.567 307 0.644 321 0.715 335 0.954 349 0.888 363 1.05 377 1.17
293.5 0.576 307.5 0.652 321.5 0.675 335.5 1.07 349.5 0.876 363.5 0.967 377.5 1.37 294 0.504 308 0.656 322 0.815 336 0.74 350 1.08 364 1.18 378 1.48
294.5 0.543 308.5 0.68 322.5 0.701 336.5 0.905 350.5 1.14 364.5 1.01 378.5 1.4 295 0.516 309 0.562 323 0.64 337 0.753 351 1.01 365 1.02 379 1.16
295.5 0.582 309.5 0.513 323.5 0.683 337.5 0.939 351.5 0.981 365.5 1.28 379.5 1.06 296 0.621 310 0.465 324 0.781 338 0.886 352 1.05 366 1.36 380 1.1
296.5 0.493 310.5 0.714 324.5 0.826 338.5 0.99 352.5 0.821 366.5 1.27 380.5 1.33 297 0.424 311 0.824 325 0.784 339 0.981 353 1.03 367 1.24 381 1.33
297.5 0.598 311.5 0.764 325.5 0.941 339.5 0.938 353.5 1.1 367.5 1.28 381.5 1.05 298 0.558 312 0.642 326 1.05 340 1.13 354 1.14 368 1.12 382 0.929
298.5 0.379 312.5 0.697 326.5 0.997 340.5 1.02 354.5 1.16 368.5 1.13 382.5 0.79 299 0.577 313 0.711 327 1.01 341 0.964 355 1.15 369 1.22 383 0.73
299.5 0.521 313.5 0.725 327.5 0.996 341.5 0.888 355.5 1.04 369.5 1.29 383.5 0.702 300 0.417 314 0.793 328 0.953 342 1.06 356 1.08 370 1.38 384 0.773
300.5 0.439 314.5 0.593 328.5 0.913 342.5 0.99 356.5 0.925 370.5 1.07 384.5 1.14 301 0.494 315 0.754 329 1.02 343 1.08 357 0.764 371 1.14 385 1.13
301.5 0.53 315.5 0.68 329.5 1.14 343.5 1.02 357.5 0.934 371.5 1.42 302 0.374 316 0.518 330 1.16 344 0.766 358 0.739 372 0.942
302.5 0.544 316.5 0.663 330.5 0.973 344.5 0.752 358.5 0.631 372.5 1.13 303 0.677 317 0.822 331 1.01 345 0.998 359 0.882 373 1.15
303.5 0.689 317.5 0.88 331.5 0.982 345.5 1.02 359.5 1.12 373.5 0.744
104
Acrónimos
AEMet. Agencia Estatal de Meteorología AERONET. Aerosol RObotic NETwork C.I.B.A. Centro de Investigación de la Baja Atmósfera DU. Unidades Dobson EPLAB. The Eppley Laboratory GOME. Global Ozone Monitoring Experiment MBE. Mean Beas Error N.A.S.A. National Aeronautics and Space Administration N.C.E.P. National Centres for Environmental Prediction OMI. Ozone Monitoring Instrument RMSE. Root Mean Square Error TOMS. Total Ozone Mapping Spectrometer UNEP. Programa Medioambiental de las Naciones Unidas UV. Ultravioleta UVA. Universidad de Valladolid UV-A. Ultravioleta tipo A UV-B. Ultravioleta tipo B UV-C. Ultravioleta tipo C WHO. Organización Mundial de la Salud WMO. Organización Meteorológica Mundial
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Nomenclatura
AOT. Espesor óptico de aerosoles E0. Corrección de la distancia Tierra-Sol G. Radiación solar global horizontal GHT. Altura Geopotencial h. Elevación solar HR. Humedad relativa (en %) ISC. Constante Solar (1366.1 W m-2) ISC(UV). Constante Solar para la región del ultravioleta total (80.83 W m-2) kt. Índice de claridad global o transmitancia hemisférica global ktuv. Índice de claridad ultravioleta o transmitancia hemisférica en el ultravioleta m. Masa óptica relative de aire p. Presión atmosférica (en mb) T. Temperatura del aire (en ºC) td. Temperatura de rocío (en ºC) TOC. Columna Total de Ozono (en Unidades Dobson) UVT. Radiación solar ultravioleta total horizontal w. Vapor de agua en columna (en cm) θz. Ángulo Zenital (en radianes) δ. Declinación (en radianes) Γ. Ángulo del día (en radianes) ωi. Ángulo horario (en radianes) r2. Coeficiente de determinación
106
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