Semana de Divulgación y Video Científico 2008 243

Software para el análisis de datos meteorológicos

MISA. Elizabeth Magaña Villegas

MIPA. Sergio Ramos Herrera

LC. Jesús Manuel Carrera Velueta

DR. José Roberto Hernández Barajas

MC. Arturo Valdez Manzanilla

Resumen

En este trabajo se presentan los resultados preliminares del diseño y programación de un

software para el procesamiento básico de variables meteorológicas. Simultáneamente, se

presentan los resultados obtenidos de las pruebas de validación del software con datos

registrados durante el año 2007 en la Estación Meteorológica de la División Académica de

Ciencias Biológicas. Se constato un trabajo eficiente del software.

Introducción

La medición, registro y análisis de las variables meteorológicas: temperatura, velocidad y

dirección del viento, humedad, radiación y estabilidad atmosférica principalmente; permite

obtener información necesaria para comprender los procesos básicos de la atmósfera. El

conocimiento de estos procesos constituye un elemento fundamental en estudios de la

densidad de poblaciones de especies vegetales, cambios del clima y el calentamiento global,

daño a las plantas y los animales por los contaminantes, como los óxidos de nitrógeno,

producido por los automóviles y la industria, entre otros.

Las variables meteorológicas también son útiles para el estudio de la contaminación del aire en

exteriores pues influyen directamente en la dispersión de los contaminantes atmosféricos y

afectan su producción en la atmósfera. Por ejemplo, la velocidad del viento determina la

cantidad de dilución inicial que experimenta una pluma, mientras que su dirección establece el

rumbo de los contaminantes. La temperatura y el diferencial vertical de la temperatura sirven

para realizar cálculos sobre la elevación de la pluma y para determinar la estabilidad

atmosférica [1]

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Para el manejo e interpretación de los registros de estas variables existen programas de

cómputo gratuitos como el WRPLOT View. Este software genera gráficas de rosa de vientos

para varios formatos de datos meteorológicos y es posible generar también rosas de estabilidad

atmosférica. Sin embargo no incorpora un módulo para el análisis estadístico de las variables

meteorológicas y las tablas de salida no son fácilmente exportables. Procesadores de datos

meteorológicos como el PCRAMMET distribuido por la EPA, prepara datos que se usan en los

modelos de dispersión de calidad del aire a corto plazo. La base de datos de salida de este

procesador contiene la estabilidad atmosférica horaria pero la interfaz no incorpora algún

comando para obtener la tabla de distribución de frecuencias o la rosa de vientos

correspondiente [2].

El presente trabajo presenta los avances de una interfaz construida con MATLAB para el

análisis de datos meteorológicos que conjuga la obtención de rosas de vientos, estadísticos de

temperatura, humedad, radiación y presión barométrica, y la estimación de la estabilidad

atmosférica.

Objetivos y metas

Desarrollo de un software en MATLAB para el procesamiento de datos meteorológicos, con

fines académicos y de investigación.

Materiales y métodos

1) Diseño de las características del software. Se escogió el MATLAB 7.0 para el desarrollo de la

interfaz debido a que es un programa que ofrece un entorno de desarrollo integrado que permite

realizar cálculos numéricos con vectores y matrices, permite realizar gráficos en dos y tres

dimensiones, tiene un lenguaje de programación propio, dispone de un código básico y de

varias bibliotecas especializadas (toolboxes), se ejecuta en ambiente Windows y permite

incorporar fácilmente una GUI (Interfaz gráfica de usuario) y la comunicación con programas en

otros lenguajes, posibilitando al usuario para que desarrolle tareas interactivas [3,4]. El software

permite importar datos de un archivo en un formato tipo texto previamente definido, a diez

columnas separadas con tabuladores, con extensión “.dat”. El análisis consiste en la obtención

de: gráficas de rosa de vientos para varios formatos, gráficas de variación temporal de la

humedad, temperatura, radiación y presión barométrica, y cálculos de sus valores horarios y

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estimación de la estabilidad atmosférica. Como datos de salida, el software permitirá exportar:

tablas de frecuencias de vientos y valores máximos, mínimos y promedios de humedad,

temperatura, radiación y presión barométrica que pueden ser importados por otras aplicaciones

como es Excel, y las gráficas de rosas de vientos podrán ser exportadas en formato de imagen.

2) Desarrollo del algoritmo para el cálculo de la Rosa de Vientos. Para obtener la distribución de

la frecuencia de los vientos, ya sea en forma tabular o gráfica, se inicia el procesamiento de

datos contabilizando los vientos, de acuerdo con el Grado 1 de la Escala de Beaufort, que son

considerados como vientos en calma. Los datos restantes son clasificados y contados primero,

considerando la velocidad, Grados 2 a 6 en la escala de Beaufort, y segundo, la dirección de

éstos de acuerdo con los 16 sectores de dirección. Con la información anterior, se obtienen las

frecuencias relativas que se presentarán en una tabla de frecuencias de dos dimensiones o

mediante una gráfica polar conocida como rosa de los vientos [5].

3) Desarrollo del algoritmo para la estimación de la estabilidad atmosférica. La estabilidad de la

atmósfera se estima durante el día con base en el criterio de la desviación estándar de la

dirección del viento y durante la noche con el gradiente ambiental. El gradiente ambiental se

calcula como la diferencia de temperatura horaria registrada por los dos sensores de la estación

entre la diferencia de altura de los sensores. Este gradiente se comparará con el gradiente

adiabático seco.

4) Integración de los algoritmos y la Interfaz Gráfica. Para la construcción de la interfaz del

software se consideraron dos aspectos importantes:1) la presentación de las pantallas y 2) los

elementos de interacción amigable con el usuario. Se utilizó el editor de interfaces graficas de

usuarios (GUIDE) de MATLAB para el diseño de los elementos de la pantalla, como los menús,

botones de comando, etiquetas, áreas de gráficos y la tabla de datos donde se despliegan los

resultados de las estadísticas obtenidas.

El GUIDE es un entorno de programación visual usado para realizar y ejecutar programas que

necesiten ingreso continuo de datos. Una aplicación GUIDE genera dos archivos: archivo.m y

archivo.fig. En el archivo.m se agregaron los algoritmos desarrollados de manera independiente

para la construcción de la rosa de vientos, estimación de la estabilidad atmosférica, así como la

construcción de gráficas del comportamiento de las variables meteorológicas. La interfaz del

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software contendrá una barra con menús y comandos que permitirá su fácil manejo con el fin de

que el aprendizaje sea eficiente.

Resultados

Diseño de las características del software: Se establece un diseño interactivo mediante una

barra menú. Hasta el momento se cuenta con el menú archivo que permite seleccionar la base

de datos de registros meteorológicos a analizar. La interfaz está en fase final de desarrollo, por

lo que se le agregarán algunos elementos a la barra de comandos. Por otro lado, se cuenta con

una barra de botones que permite seleccionar el tipo de gráfico deseado, gráficos de secuencia

de los valores diarios de las variables y estadísticas básicas como el promedio, el máximo y el

mínimo de todo el periodo (Figura 1).

Figura 1. Interfaz para el análisis de datos Meteorológicos

Desarrollo de programas de Cálculo:Se completó la programación de los módulos para la

obtención de las rosas de vientos para varios formatos, gráficas de variación temporal de la

humedad, temperatura, radiación y cálculos de valores estadísticos (Figura 1). En esta fase se

compararon los programas de rosa de vientos realizando pruebas con datos meteorológicos de

la estación meteorológica de la División Académica de Ciencias Biológicas registrados durante

el 2007 (Figura 2) con el software WRPLOT View.

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Cabe mencionar que los datos meteorológicos fueron depurados previamente para asegurar la

confiabilidad del mismo.

Figura 2. Gráficas de Rosa de vientos de la Estación DACBiol. 2007

De las gráficas observamos un 70% de vientos considerados en calma y que el viento

predominante fue el del norte. Se completó la programación del módulo para la obtención de

variaciones horarias de las variables meteorológicas: temperatura, humedad y radiación (Figura

3). De igual manera, se ejecutaron los programas realizando pruebas con datos meteorológicos

del mes de julio de 2007 registrados en la estación meteorológica de la División Académica de

Ciencias Biológicas.

Figura 3. Variación horaria de Temperatura, Humedad y Radiación. Estación DACBIOL, Julio

2007

Para el mes de julio se observó una temperatura máxima de 34º C y una temperatura mínima

de 26º C, una humedad relativa máxima de 81% y mínima de 43% y la radiación solar máxima

fue de 337 W/m2 y la mínima de 144 W/m2.

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Discusión

Los resultados obtenidos de rosa de vientos con el software, fueron comparados con salidas

obtenidas con el programa WRPLOT View y se observó una similitud del 100%. El módulo de

estabilidad atmosférica y características de salida de los datos se encuentra en fase final de

desarrollo.

Conclusiones

Aunque existen en el mercado programas para el procesamiento de datos meteorológicos, es

común que éstos carezcan de elementos funcionales que permitan analizar los datos para

generar cierto tipo de gráficos u obtener determinados estadísticos. Es indispensable

desarrollar aplicaciones computacionales en nuestra institución para el procesamiento de datos

meteorológicos que nos provean de herramientas para la consecución de nuestros proyectos

de investigación y que impacten a la actividad docente. En un futuro, este programa podrá

emplearse también como un módulo de procesamiento de información meteorológica necesario

para la ejecución de otros programas, i.e. un programa de dispersión de contaminantes en la

atmósfera. Finalmente, el programa estará disponible gratuitamente a estudiantes de nuestra

institución.

Referencias Bibliográficas

� Martínez AP, Romieu I (1997). Introducción al Monitoreo Atmosférico. Centro

Panamericano de Ecología Humana y Salud.211p.

� Environmental Protection Agency (2000) Guía del usuario PCRAMMET.Office of air

quality planning and standards emissions, monitoring, and analysis division research

triangle park. 73 pp

� Barragán GD (2007). Manual de Interfaz Gráfica de Usuario en Matlab. Republica del

Ecuador.

� García J, Rodríguez J, Vidal J (2005). Aprenda Matlab 7.0, Escuela Tecnica Superior de

Ingenieros Industriales. Universidad Politecnica de Madrid

� Danish Wind Industry Association. La Rosa de los Vientos. Citado en el recurso

electrónico de http://www.windpower.org/es/tour/wres/rose.htm, septiembre de 2008.