anÁlisis de la relaciÓn entre indices de estabilidad

37
1 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA Y CONCENTRACIÓN DE PM2.5 EN LA CIUDAD DE BOGOTA: DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE CAPTACIÓN Y ANALISIS DE DATOS JAIME ENRIQUE VELASQUEZ SALAMANCA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA D.C. JUNIO 2016

Upload: others

Post on 30-Jun-2022

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

1

ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA Y CONCENTRACIÓN

DE PM2.5 EN LA CIUDAD DE BOGOTA: DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE CAPTACIÓN Y

ANALISIS DE DATOS

JAIME ENRIQUE VELASQUEZ SALAMANCA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTA D.C. JUNIO 2016

Page 2: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

2

ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA Y CONCENTRACIÓN

DE PM2.5 EN LA CIUDAD DE BOGOTA: DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE CAPTACIÓN Y

ANALISIS DE DATOS

JAIME ENRIQUE VELASQUEZ SALAMANCA

Proyecto de Grado en Modalidad Desarrollo de herramienta de análisis

Asesor

RICARDO MORALES BETANCOURT

Ph.D

Profesor Asistente

Departamento de ingeniería civil y ambiental

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTA D.C. JUNIO 2016

Page 3: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

3

Tabla de contenido 1. RESUMEN ........................................................................................................................................ 5

2. INTRODUCCION ............................................................................................................................... 5

3. OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 6

3.1 Objetivo General ....................................................................................................................... 6

3.2 Objetivos Específicos ................................................................................................................. 6

4. MARCO TEORICO ............................................................................................................................. 6

4.1 ESTABILIDAD ATMOSFERICA ..................................................................................................... 6

4.1.1 Condiciones Inestables ....................................................................................................... 7

4.1.2 Condiciones Neutrales ....................................................................................................... 7

4.1.3Condiciones Estables ........................................................................................................... 8

4.1.4 Condición de Inversión ....................................................................................................... 9

4.2 INDICES DE ESTABILIDAD ATMOSFERICA ................................................................................ 12

4.2.1 Energía Potencial Convectiva Disponible (CAPE) ............................................................. 12

4.2.2Inhibición Convectiva (CIN) ............................................................................................... 13

4.2.3 Número de Richardson bulk (RB) ...................................................................................... 14

4.3 ESTABILIDAD ATMOSFERICA EN BOGOTA ............................................................................... 15

4.3.1Estudios sobre la Estabilidad Atmosférica en Bogotá ....................................................... 15

4.3. 2 Estaciones de Medición en Bogotá ................................................................................. 15

4.4 MATERIAL PARTICULADO ........................................................................................................ 16

4.4.1 Impactos sobre la salud .................................................................................................... 16

4.4.2 Regulación y normatividad del material particulado en Colombia .................................. 17

5. METODOLOGIA .............................................................................................................................. 17

5.1 Herramienta para la descarga masiva de datos ...................................................................... 17

5.2 programa de visual Basic ......................................................................................................... 20

5.2.1 Def. Serie de tiempo ......................................................................................................... 21

5.2.2 Acotar Datos ..................................................................................................................... 22

5.2.3 Borrar Datos ..................................................................................................................... 23

5.3 Hojas del archivo ..................................................................................................................... 23

5.3.1 Data .................................................................................................................................. 23

5.3.2 Station Data ...................................................................................................................... 23

5.3.3 Datos graficas ................................................................................................................... 24

5.3.4 Relacion datos RMCAB ..................................................................................................... 24

Page 4: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

4

5.4 Comparación de datos ............................................................................................................ 25

6. RESULTADOS ................................................................................................................................. 26

5.4.1Resultados estación Carvajal ............................................................................................. 26

5.4.2 Resultados Estación Suba ................................................................................................. 30

7. RECOMEDACIONES ........................................................................................................................ 33

8. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 33

9. Referencias .................................................................................................................................... 35

Page 5: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

5

1. RESUMEN En este trabajo se reporta el procedimiento y los resultados de la descarga de: una base de datos

medidos históricamente por radio sondeos en la ciudad de Bogotá y el análisis de indicadores de

estabilidad atmosférica relacionados con los valores máximos de contaminación de material

particulada (PM) en Bogotá. Los datos del radio sondeo que están recopilados en la página del

departamento de ciencia de la universidad de Wyoming (University of wyoming, s.f.), donde la

estación de Bogotá-Dorado es la numero 80222, se descargó en su totalidad los datos existentes en

la página los cuales comprendían desde el 01 de enero del 1973, hasta el 16 de junio de 2016, para

este fin se diseñó un programa en java que fuera capaz de la descarga y la clasificación masiva de

estos datos, almacenándolos en libros de Excel mes por mes. La segunda parte del trabajo fue el

análisis de estos datos para lo cual se diseñó un script en visual Basic capas de recopilar los datos

por series de tiempo definidas y calcular diferentes indicadores de estabilidad atmosférica, con el

fin de realizar comparaciones entre estos indicadores y los valores de contaminación para PM

reportados por la Red de Monitoreo de Calidad Ambiental de Bogotá (RMCAB), y, tratar de

encontrar relaciones entre estos datos que no han sido utilizados para predecir la estabilidad en la

primera capa atmosférica de mezcla.

2. INTRODUCCION Comúnmente los radio sondeos son utilizados para recolectar datos y establecer el comportamiento

atmosférico general, para la predicción de las condiciones climáticas como tormentas, ciclones,

lluvias y otras, todo esto con el fin de tener un modelo climático del planeta y poder predecir si un

vuelo será tranquilo o si es recomendable cerrar un aeropuerto, actualmente se realizan miles de

sondeos diarios en todo el planeta que escalan aproximadamente a los 25 kilómetros de altura

recolectando datos atmosféricos sensibles como: presión, altura geopotencial, temperatura,

velocidad y dirección del viento, a partir de estos se calculan otros parámetros secundarios como:

punto de roció, humedad relativa, taza de mezcla y temperatura potencial virtual. (University of

wyoming, s.f.) También es posible calcular diariamente indicadores como el CAPE (Convective

Available Potential Energy), CINS (Convective Inhibition), BRCH (Bulk Richardson Number) y PWAT

(Precipitable Water) entre otros índices de estabilidad, que son usados típicamente y son algunos

de los indicadores que se tendrán en cuenta para el análisis y relación de datos.

En una ciudad como Bogotá en donde se emiten grandes cantidades de contaminantes al aire, se

hace importante conocer la estabilidad atmosférica ya que con esto se puede estimar la taza de

dispersión de los contaminantes generados, algo indispensable para mantener bajas

concentraciones de los mismos y evitar exponer a la ciudadanía a concentraciones que puedan

afectar su salud. Esta estabilidad depende principalmente del perfil de temperatura en la columna

de aire, donde se pueden apreciar claramente si existen inversiones térmicas las cuales son barreras

de aire caliente que evitara que el aire que asciende adiabáticamente superficie supere esa altura,

reduciendo el dinamismo de la atmosfera, a esto se le conoce como condiciones estables.

Por primera vez en Bogotá se empezaron a medir características relacionadas a la estabilidad

atmosférica en el 2004 por Gerardo de J. Montoya, William Cepeda & Jesús A. Eslava R donde se

reportó lo siguiente:

Page 6: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

6

“Por primera vez se analizan para la Sabana de Bogotá algunas de las características de la

turbulencia y la estabilidad atmosférica como son: la escala de Monin – Obuckov, la temperatura de

escala, la velocidad de fricción y el flujo de calor sensible de acuerdo con la teoría de similaridad de

Monin – Obuckov.” (Gerardo de J. Montoya, 2004)

Este estudio se realizó con mediciones de velocidad del viento y temperatura a 2 y 10 metros de

altura sobre el suelo concluyendo que los resultados obtenidos solamente pueden ser de uso

indicativo debido a que la muestra de datos analizada fue muy corta, también sugieren que estudios

futuros con una serie de datos más larga y confiable pueden servir para establecer criterios más

afinados sobre el comportamiento de la turbulencia y la dispersión de contaminantes en Bogotá.

Este informe contendrá los objetivos, marco teórico, metodología, resultados, recomendaciones y

conclusiones del análisis y el uso de herramientas computacionales que se crearon con el fin de

calcular índices de la estabilidad atmosférica a partir de los datos de radio sondeos para diferentes

series de tiempo, y poder usar estos datos para buscar relaciones con los niveles de contaminación

de los sitios aledaños.

3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo General Desarrollar una herramienta para la recopilación sistemática de datos de radio sondeos y

relacionar la información recopilada con diferentes indicadores de calidad del aire en la ciudad

de Bogotá..

3.2 Objetivos Específicos Descargar todos los datos existentes para el radio sondeo realizado en el aeropuerto el

Dorado en la ciudad de Bogotá D.C, y almacenarlos como base de datos en libros de Excel

mes a mes.

Crear una herramienta que construya series de tiempo de los datos almacenados, los

analice y calcule algunos indicadores de condición de la estabilidad atmosférica.

Relacionar los datos procesados con datos existentes de la red de monitoreo de calidad

ambiental de Bogotá, y concluir el impacto de estos indicadores con los niveles de

concentración de la ciudad.

4. MARCO TEORICO

4.1 ESTABILIDAD ATMOSFERICA La estabilidad atmosférica para una masa de aire específica, se determina de acuerdo a la

diferencia de temperatura entre dicha masa de aire y el aire circundante a la misma. Este

delta de temperatura puede generar el movimiento vertical de la masa de aire, causando que

ésta ascienda o descienda según sea el caso (Universidad Nacional Abierta y a Distancia,

2015). En base a lo anterior, el movimiento vertical de una masa de aire genera cuatro

condiciones básicas de estabilidad las cuales son explicadas a continuación:

Page 7: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

7

4.1.1 Condiciones Inestables Las condiciones de inestabilidad se presentan cuando el gradiente del aire circundante es

mayor que el gradiente adiabático seco. Esto se debe a que cuando la masa de aire empieza

a elevarse, su temperatura disminuye y por tanto se enfriara en el gradiente adiabático seco

hasta llegar al punto de rocío, en donde se enfriara en el gradiente adiabático húmedo. Esto

indica que el aire circundante tiene un gradiente en dirección vertical mayor que el gradiente

vertical adiabático, con un enfriamiento a más de 9,8 °C por cada 1000 m, obteniendo como

resultado que la masa de aire elevada continuara siendo más cálida que el aire alrededor. En

la figura 1, se puede ver que las condiciones inestables de la atmosfera se pueden presentar

en niveles significativos o ligeros, los cuales dependen de la diferencia de temperatura entre

el gradiente adiabático seco y el gradiente ambiental vertical y su relación con la elevación de

la masa de aire (Organización Panamericana de la Salud, 2005)

Figura 1 gradiente de temperatura para condición inestable

Las condiciones de atmosfera inestable suelen presentarse en días soleados donde hay

velocidades del viento bajas y una alta radiación solar, debido a que la Tierra absorbe el calor

rápidamente y transfiere parte del mismo a las masas de aire superficial, haciendo que estas

aumenten su temperatura y sea menos denso, por lo cual su capacidad de elevarse

aumentará (Universidad Nacional Abierta y a Distancia, 2015).

4.1.2 Condiciones Neutrales Las condiciones neutrales se presentan cuando la masa de aire y el aire circundante se

encuentran en condición de equilibrio, es decir, cuando el gradiente vertical del ambiente es

igual al gradiente vertical adiabático seco (ver figura 2). Bajo estas condiciones, la masa de

aire no presenta ningún estímulo o inhibición en el movimiento vertical de la misma; además

esta condición constituye el límite entre las condiciones atmosféricas de estabilidad e

inestabilidad (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

Page 8: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

8

Figura 2 Gradiente de temperatura para condición neutra

Cabe resaltar que las condiciones de atmosfera neutra se presentan cuando se presentan

fuertes vientos o hay presencia de capas de nubes, puesto que bajo estas condiciones se

impide que exista un calentamiento o enfriamiento de la superficie terrestre, lo que impide

que se presenten masas de aire a diferentes temperaturas (Universidad Nacional Abierta y a

Distancia, 2015).

4.1.3Condiciones Estables Por el contrario, cuando el gradiente vertical ambiental es menor que el gradiente vertical

adiabático seco, se presentaran condiciones de atmosfera estable y la masa de agua se

resistirá al movimiento de elevación (ver figura 3). Por lo tanto, cuando la masa de aire se

eleva, al estar a una temperatura menor que el aire circundante, será más densa; por lo cual,

al retirarse el movimiento vertical, dicha masa regresara a su lugar de origen y por tanto la

atmosfera se restaurara a su estado inicial de estabilidad (Organización Panamericana de la

Salud, 2005).

Page 9: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

9

Figura 3 Gradiente de temperatura para condiciones estables

Como se puede observar en la figura 3, a condiciones estables también se presentan niveles

de estabilidad ligera y fuerte, los cuales dependerán de la relación entre la diferencia de

temperaturas y la elevación a la que se encuentre la masa de agua respecto al aire circundante

y a la superficie terrestre.

Por otro lado, es importante mencionar que esta condición suele presentarse durante la

noche, puesto que durante estas horas, no se presentan vientos o de presentarse, sus

velocidades son muy bajas (Universidad Nacional Abierta y a Distancia, 2015).

4.1.4 Condición de Inversión Las inversiones térmicas se producen cuando la temperatura del aire aumenta con la altura.

Sin embargo, dichas inversiones se encuentran confinadas generalmente a capas de aire

superficiales (ver figura 4), por lo cual las plumas emitidas a estas capas no presentaran una

gran dispersión al ser transportadas por el viento. Debido a que las inversiones inhiben la

dispersión de las plumas de contaminantes se presenta una relación con las altas

concentraciones de contaminantes en la atmosfera (Organización Panamericana de la Salud,

2005). Las inversiones atmosféricas pueden ser causadas por diversos factores, como los

mencionados a continuación.

Page 10: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

10

Figura 4 inversión térmica

4.1.4.1 Inversión por Radiación:

La inversión por radiación es el tipo de inversión más común. Esta condición se presenta

debido al enfriamiento acelerado de la superficie terrestre, ya que a medida que la superficie

se enfría, el aire circundante a esta también lo hace. Esta situación generara que si la masa

de aire se enfría a una temperatura inferior a la circundante, se presentaran condiciones

estables; por lo cual la capa de aire caliente, impedirá el movimiento vertical y se presenta la

inversión (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

Este tipo de inversión se presenta, por lo general, en el día durante la tarde hasta el amanecer

del siguiente día. Lo que implica que este efecto de inversión por radiación sea de cortas

duraciones (Organización Panamericana de la Salud, 2005). En la figura 5 se muestra el

diagrama que explica el ciclo diurno, en donde se observa con claridad el efecto de la

inversión térmica.

Figura 5 inversión por radiación

Page 11: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

11

Este efecto, además de permitir el movimiento de masas de aire a lo largo del día, también

permite reducir las concentraciones de contaminantes atmosféricos que son transmitidos a

la atmosfera por medio de chimeneas altas que realizan las emisiones a la altura de la capa

de inversión (Universidad Nacional Abierta y a Distancia, 2015).

4.1.4.2 Inversión por Subsidencia:

Figura 6 Inversión por subsidencia

La figura 6 muestra el efecto de la inversión por subsidencia. Dicha inversión está

relacionada con los anticiclones, es decir, sistemas de alta presión. Como se puede ver en la

anterior figura, el aire durante un evento de anticiclón, desciende en dirección de las

manecillas del reloj; a medida que esta masa de aire desciende, la presión mayor en la altura

inferior lo comprime y por ende lo calienta en el gradiente adiabático seco. Las inversiones

por subsidencia suelen ser de mayor duración en comparación a las inversiones por

radiación. Lo anterior debido a que, existe una relación de las inversiones con los

anticiclones semipermeantes centrados en los océanos como con los anticiclones

migratorios de movimiento lento (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

Por otro lado, este tipo de inversión está relacionada con la elevación de contaminantes

atmosféricos durante varios días. Esto se debe a que, cuando un anticiclón se mantiene

constante, los contaminantes emitidos a la capa de inversión no pueden realizar el proceso

de dilución en la capa de mezcla (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

4.1.4.3 Inversión por Advección:

Este tipo de inversión se asocia al flujo horizontal de aire a temperaturas altas. Cuando esta

masa de aire se mueve sobre una capa que está a una menor temperatura, ocurren procesos

de conducción y convección que enfrían el aire más cercano a la superficie y conllevan a una

inversión en la superficie (típica en invierno) (ver figura 7). Otra de las razones por las cuales

se presenta este tipo de inversión es cuando el aire cálido es impulsado a capas de aire a

menores temperaturas debido a la presencia de un obstáculo en la superficie, como se

puede ver en la figura 7 (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

Page 12: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

12

4.2 INDICES DE ESTABILIDAD ATMOSFERICA La estabilidad atmosférica propicia el estacionamiento de aire en la atmosfera baja de la

Tierra. Esta detención además de retener el aire, también es capaz de retener la humedad

del aire, el material particulado en suspensión y diferentes contaminantes. Dicha retención

tiene grandes consecuencias en cuanto a la salud humana (genera morbilidad y mortalidad

infantil, enfermedades respiratorias, enfermedades cardiacas y enfermedades cerebro

vasculares); la agricultura (genera las llamadas “heladas”); y también causa deterioro y

desgaste a diferentes infraestructura de las ciudades (Ochoa & Cantor).

Por este motivo, la realización de mediciones y análisis sobre el comportamiento de la

atmosfera terrestre es importante para poder tomar las medidas necesarias para prevenir

la afectación de los seres humanos y del entorno debido a la contaminación ya generada.

De esta manera, para las mediciones se usan diferentes equipos de radio sondeo en puntos

estratégicos de las ciudades y se realizan las estimaciones de diferentes índices de

estabilidad, los cuales sirven como apoyo para entender el comportamiento de la atmosfera

y de esta manera tomar las medidas pertinentes según sea el caso. Algunos de los índices

estimados para el análisis de la estabilidad atmosférica se mencionan a continuación.

4.2.1 Energía Potencial Convectiva Disponible (CAPE1) El índice de estabilidad atmosférica CAPE, indica la energía presente en una masa de aire

mediante su ascenso por la atmosfera (Ochoa & Cantor). Dicho índice se determina de la

siguiente manera:

𝐶𝐴𝑃𝐸 = 𝑔 ∗ ∫ [𝑇𝑝(𝑧) −𝑇𝑒(𝑧)

𝑇𝑝(𝑧)]

𝐿𝑁𝐵

𝐿𝐹𝐶 (Ochoa & Cantor)

En donde:

g es la aceleración de la gravedad

LFC es nivel de convección libre

LNB es el nivel de boyancia neutral

Te(z) es el perfil vertical de temperatura del ambiente

1 CAPE: Convective available potential energy

Figura 7 inversión por advección

Page 13: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

13

Tp(z) es el perfil vertical de una masa de aire que asciende mediante un proceso adiabático

húmedo, desde los primeros 500m desde la superficie

La anterior ecuación fue simplificada en la base de datos de radio sondeo de la Universidad

de Wyoming en donde se encuentran la información de radio sondeo de algunas de las

radiosondas existentes en América (la información hallada para la radiosonda 80222 del

Aeropuerto El Dorado de Bogotá, será utilizada como base para el presente proyecto). Dicho

lo anterior, el índice CAPE es hallado como:

𝐶𝐴𝑃𝐸 = 𝑔 ∗ 𝑆𝑈𝑀𝑃 [∆𝑧 ∗ (𝑇𝑝 −𝑇𝑒

𝑇𝑝)] (University of Wyoming, s. f. )

En donde:

g es la aceleración de la gravedad

SUMP es la suma del sondeo de las capas LFCT (nivel de convección libre) al EQLV (nivel de

equilibrio) para las cuales (Tp –Te) es mayor que cero

Δz es el incremento de altura

Tp es la temperatura de la masa de aire a 500m de altura, que asciende mediante un proceso

adiabático seco

Te es la temperatura del ambiente

De esta manera, en base a los resultados del CAPE obtenido para una masa de aire

determinada, es posible determinar las condiciones de la atmosfera de acuerdo a la tabla 1.

Tabla 1 clasificación del CAPE (Ochoa & Cantor)

CAPE [J/Kg] Nivel de estabilidad de la atmosfera

0 Estable

1000 – 2500 Moderadamente Inestable

2500 - α Muy Inestable

4.2.2Inhibición Convectiva (CIN2) La inhibición convectiva hace referencia a la energía necesaria para elevar una masa de aire

vertical y seudo adiabáticamente, desde su posición original hasta el nivel de convección

libre (LFC3) (American Meteorological Society, 2012). El CIN es expresado como:

𝐶𝐼𝑁 = − ∫ 𝑅𝑑 ∗ (𝑇𝑝 − 𝑇𝑒) ∗ 𝑑 ln(𝑃)𝑃𝑓

𝑃𝑖 (American Meteorological Society, 2012)

En donde:

Pf es la presión correspondiente al nivel de convección libre

Pi es la presión en la posición original de la masa de aire

Rd es contante de los gases para aire seco

Tp es la temperatura de la masa o parcela de aire

2 CIN: Convective Inhibition 3 LFC: Level of Free Convection

Page 14: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

14

Te es la temperatura del ambiente

Este índice es calculado en la base de datos de información radiométrica de la Universidad

de Wyoming por medio de la siguiente expresión:

𝐶𝐼𝑁𝑆 = 𝑔 ∗ 𝑆𝑈𝑀𝑁 [∆𝑧 ∗ (𝑇𝑝−𝑇𝑒

𝑇𝑒)] (University of Wyoming, s. f. )

En donde:

g es la aceleración de la gravedad

SUMN es la suma del sondeo de las capas superiores de la capa de mezcla hasta el nivel de

convección libre para las cuales (Tp –Te) es menor que cero

Δz es el incremento de altura

Tp es la temperatura de la masa de aire a 500m de altura, que asciende mediante un proceso

adiabático seco

Te es la temperatura del ambiente

El índice de inhibición convectiva es usado como un indicador de la probabilidad del

desarrollo de tormentas, ya que la energía encontrada por este indica la energía requerida

para que se desarrollen tormentas (EcuRed, 2016). En la tabla 2 se presenta la clasificación

de probabilidad del desarrollo de tormentas en base al CIN.

Tabla 2 Clasificacion de CINS

CIN [J/Kg] Probabilidad desarrollo de tormentas

<15 Zonas con buen tiempo

15 - 50 Formación de pocas tormentas fuertes

50 - 150 Formación de fuertes líneas de tormentas

>200 Capa atmosférica fuerte, desarrollo de tormentas es poco probable

4.2.3 Número de Richardson bulk (RB) El número de Richardson bulk proporciona un criterio sencillo con el cual es posible

determinar la existencia de turbulencia en un fluido con estratificación estable (Castro,

Gonzalez, & Portela). Este índice de estabilidad atmosférica es expresado como:

𝑅𝐵 =𝐶𝐴𝑃𝐸

0,5∗𝑈2 (University of Wyoming, s. f. )

En donde U es la magnitud del esfuerzo cortante, que puede ser calculado como la

diferencia de las velocidades consecuentes.

En cuanto a la clasificación que aporta este índice se tiene que, por lo general, valores de RB

menores de 45 corresponden a situaciones de convección de superceldas, mientras que

valores de RB mayores a 45 corresponden a la multiceldas o celdas ordinarias convectas

(American Meteorological Society, 2012).

Page 15: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

15

4.3 ESTABILIDAD ATMOSFERICA EN BOGOTA

4.3.1Estudios sobre la Estabilidad Atmosférica en Bogotá A pesar de que la estabilidad atmosférica es un factor de gran importancia, debido a la

relación que tiene con la dispersión de los contaminantes atmosféricos como monóxido de

carbono, dióxido de azufre, ozono, material particulado, entre otros; este factor no ha sido

muy estudiado en la ciudad de Bogotá, en la cual se presentan diariamente altos niveles de

contaminación.

El único estudio encontrado acerca de este tema en la ciudad de Bogotá, fue el realizado

por Gerardo Montoya, William Cepeda y Jesús Eslava titulado Características de la

Turbulencia y de la Estabilidad Atmosférica en Bogotá. En este estudio los autores se

realizaron las mediciones de temperatura a una distancia de 2 y 10 m desde la superficie;

esto con el fin de observar el comportamiento de la atmosfera e identificar su relación con

el clima de la ciudad. Durante dicho estudio se concluyó que existe una estrecha relación

entre el desarrollo de turbulencia en la capa limite y la formación de la convección profunda

en la atmosfera, lo cual contribuye a la ocurrencia de tormentas en la ciudad. Además,

existen cambios en la atmosfera durante el día, lo cual genera mayores concentraciones de

contaminantes en la atmosfera durante algunas horas del día (Montoya, Cepeda, & Eslava).

4.3. 2 Estaciones de Medición en Bogotá La ciudad de Bogotá cuenta con una estación meteorológica ubicada en el Aeropuerto

Internacional El Dorado que lleva en funcionamiento desde 1960 hasta la actualidad. Dicha

estación realiza mediciones a las 12:00 UTC, 7:00 COT diariamente. Se encuentra ubicada

específicamente a una latitud de 4,70°N y a una longitud de 74,13° W. Su código de

identificación es el No. 80222 según la Organización Meteorológica Mundial (Guerrero,

2013). La radiosonda de El Dorado toma mediciones de parámetros de la altura

geopotencial, temperatura potencial, presión de vapor, presión de vapor de saturación,

humedad relativa y velocidad y dirección del viento (Ochoa & Cantor).

Figura 8 Equipos tipicos para radio sondeos

Page 16: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

16

4.4 MATERIAL PARTICULADO El material particulado (PM) es uno de los contaminantes criterio de calidad del aire contemplados

por los Estándares Ambientales Nacionales de Calidad del Aire (NAAQS) que es considerado como

un peligro para la salud humana ya que afecta a una gran parte de la población. (Garcia, 2015). Este

tipo de contaminante está compuesto por diferentes componentes como lo son el carbón negro,

sulfatos, nitratos, amoniaco, polvo mineral, cenizas metálicas, entre otros que son el resultado de

los procesos de combustión o de reacciones químicas en la atmosfera (Fundacion para la Salud

Geoambiental, 2013).

El material particulado se mide de acuerdo al tamaño de las partículas. Para ello, se realiza el cálculo

del diámetro aerodinámico4 de las partículas. Típicamente, se realiza la clasificación del material

particulado como PM10 y PM2.5, que corresponden a las partículas con tamaño igual o mayor a 10

μm y con tamaño mayor o igual a 2.5 μm, respectivamente (Fundacion para la Salud Geoambiental,

2013). Es importante resaltar, que el PM2.5 es considerado el que mayor riesgo causa a la salud,

debido a que por tratarse de partículas de menor tamaño, se ha asociado con enfermedades de tipo

cardiorrespiratorio (Garcia, 2015).

4.4.1 Impactos sobre la salud El material particulado es uno de los contaminantes atmosféricos más comunes y por ende,

el riesgo en la salud humana causada por este es muy significativo. Debido a la gran

población que está expuesta al material particulado ya sea PM10 o PM2.5, La Organización

Mundial de la Salud (OMS) ha estimado que el número de personas que muere al año por

este contaminante es de 800.000 (Montenegro, 2012).

Debido a que se encuentra suspendido en el aire, el material particulado ingresa al cuerpo,

generalmente, por medio de las vías respiratorias. Al ser inhalado, puede causar un

aumento en la mortalidad por causas de tipo respiratorias o cardiacas, genera una reducción

en la capacidad respiratoria de adultos y niños con condiciones de asma e incluso puede

causar enfermedades respiratorias crónicas de obstrucción pulmonar (Montenegro, 2012).

Por este motivo, es importante controlar la concentración de material particulado, así como

identificar las rutas de ingreso al organismo. El PM puede ingresar al organismo por

diferentes medios como el aire, el agua, los alimentos y la piel, de esta manera puede llegar

a acumularse en algunos tejidos, en los cuales, cuando la persona está expuesta

constantemente, puede resultar teniendo una afección a largo plazo en órganos

respiratorios (Ruiz, 2006).

Por otro lado, cabe resaltar que la depositación de partículas dentro del sistema depende

del tamaño y la solubilidad de la partícula. De esta manera, se espera que las partículas con

un tamaño de 10 μm se depositen en el tren superior del sistema respiratorio mientras que,

las partículas de diámetro 2,5 μm pueden llegar a alcanzar zonas más remotas del sistema

respiratorio como los alveolos pulmonares. Con base en esto, las enfermedades

respiratorias causadas por el material particulado se clasifican en enfermedades de tipo

4 “Diámetro de una esfera de 1 g por cm3 de densidad con la misma velocidad terminal que la partícula debido a la fuerza gravitacional en el aire en condiciones predominantes de temperatura, presión y humedad relativa” (Observatorio de Salud y Medio Ambiente de Andalucia)

Page 17: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

17

agudo o crónico, en cuyo caso pueden generar la muerte de la persona expuesta (Garcia,

2015).

4.4.2 Regulación y normatividad del material particulado en Colombia Lo anterior, ha hecho que la regulación de este tipo de contaminante sea controlada en las

fuentes por medio de estándares de emisión dados por importantes organizaciones

internacionales como la OMS y por los mismos gobiernos. En el caso colombiano la

regulación de material particulado está determinado por la resolución 610 del 2010 en

donde se fijan los niveles máximos permisibles y el tiempo máximo de exposición para este

y otros tipos de contaminante criterio. La tabla 3 muestra los valores correspondientes de

la norma colombiana.

Tabla 3 Regulación colombiana para PM (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2010)

CONTAMINANTE NIVEL MAXIMO PERMISIBLE (μg/m3) TIEMPO DE EXPOSICION

PM10 50 Anual

100 24 horas

PM2.5 25 Anual

50 24 horas

Sin embargo, al comparar los niveles máximos permisibles impuestos por el Ministerio de

Ambiente con los estándares de la Organización Mundial de la Salud (ver Tabla 4) es posible

ver que los niveles permisibles dados por el Ministerio de Ambiente está muy por encima

del recomendado por la OMS, lo que indica que, actualmente en Colombia el material

particulado es un contaminante que afecta fuertemente a la salud de la población y que no

se cuenta con la regulación adecuada para impedir esto (Garcia, 2015).

Tabla 4 Recomendacion niveles de PM permisibles de la OMS (Organizacion Mundial de la Salud, 2014)

CONTAMINANTE NIVEL MAXIMO PERMISIBLE (μg/m3) TIEMPO DE EXPOSICION

PM10 20 Anual

50 24 horas

PM2.5 10 Anual

25 24 horas

5. METODOLOGIA

5.1 Herramienta para la descarga masiva de datos Se diseñó una herramienta bajo el lenguaje de programación de java con el fin de que este

pueda acceder a la página de weather.uwyo.edu donde están almacenados los datos

recolectados por los radio sondeo, para este caso en particular la estación de El Dorado

Bogotá es la numero 80222, en la página tenemos la opción de ver hasta un mes de datos de

manera seguida, pero no existe una forma de descargar fácilmente los datos, teniendo en

cuenta esto y la gran cantidad de datos se tomó la decisión de crear dicha herramienta con la

capacidad de descargar los datos de manera automática y con series de tiempo flexibles. Se

presenta una ilustración de la página principal mencionada.

Page 18: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

18

Figura 9 página principal de weather.uwyo.edu

La página contiene dos tablas útiles de datos, una es la tabulación punto por punto de la

medición a medida que la sonda aumentaba su altura, y la otra tabla de la información de la

estación e índices del sondeo. A continuación se muestran ejemplos de las dos tablas de

interés.

Figura 10 reporte típico de datos del radio sondeo en la página tabla 1

Page 19: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

19

Figura 11 reporte típico de datos del radio sondeo en la página tabla 2

Aprovechando las opciones de selección de datos que nos ofrece la página y que el URL

incluye la fecha del sondeo solicitado, se le dio la capacidad al aplicativo de Java de entrar

varias veces, copiar y pegar estos datos por celdas a un libro de Excel, en donde existirán dos

hojas una llamada “Data”, donde se pegaran los datos de la primera tabla asociada a los

parámetros medidos punto a punto y otra llamada “Station Data” en donde se pegaran los

datos de la segunda tabla asociada a los datos generales de la estación.

Para el diseño de la interfaz del programa se tuvo en cuenta los parámetros relevantes que

solicita la página para el acceso a los datos, es decir la fecha y el número de estación, siendo

estos los parámetros que necesita el programa para realizar la descarga de datos, es decir que

el programa funciona para descargar los datos de cualquier estación y en cualquier fecha

existente. A continuación se muestra una imagen de la interfaz principal.

Figura 12 interfaz del programa para la descarga de datos

Page 20: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

20

La interfaz esta dividida en tres grupos de datos principales, fecha inicial, fecha final y Station,

en la fecha inicial se debe escribir la fecha completa y en formato numérico, por ejemplo para

solicitar que el primer dato descargado sea el 18/mayo/2014 se deben introducir el número

19 en día, el 5 en mes y el 2014 en año. Lo mismo ocurre para el grupo de fecha final, para el

dato de station se debe introducir el código de la estación en la cual se midieron los datos,

por ejemplo para Bogotá el código es el número 80222, y finalmente se inicia la descarga de

datos oprimiendo el botón Get Info.

Al momento de ejecutar el programa después de ingresar los parámetros de fechas y código

de estación, el programa lanza un aviso donde advierte que se iniciara un proceso que puede

tardar algunos minutos, y que puede revisar en la carpeta donde se almacenaran los datos

los archivos que se vallan generando. En caso de que los parámetros no coincidan es decir

que no exista una estación con el código suministrado o que la fecha inicial sea después de la

final, el programa notificara un mensaje de error donde pide que verifique que los parámetros

ingresados son correctos.

Todos los libros de Excel serán guardados en la carpeta de destino y se les dará como nombre

el año y el mes, a continuación se muestra una ilustración de como se ve la carpeta con los

datos descargados.

Figura 13 vista de la carpeta que contiene los datos descargados

5.2 programa de visual Basic Luego de tener la base de datos constituida, se necesita otra herramienta capaz de leer

ordenar y analizar masivamente estos datos, para lo cual se creó un libro de Excel habilitado

para macros y se nombró copilarInfo, ya que su función principal consiste en compilar la

información de la base de datos en un solo libro según series de tiempo dadas como

parámetros y en acotar, calcular y tabular los datos de interés en una nueva hoja llamada

DatosGrafica donde se mostraran los datos listos para graficar y analizar según la serie de

tiempo. La interfaz de esta herramienta solamente consta de tres botones ubicados en la

Page 21: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

21

hoja Data Def. Serie de tiempo, Acotar Datos y Restaurar Datos, su uso se explica a

continuación.

Figura 14 hoja data inicial del libro compilarInfo

5.2.1 Def. Serie de tiempo Al presionar este botón se despliegan una serie de cuatro cuadros de dialogo en donde pide que se

ingrese el rango de años y meses que desea agrupar

Luego el programa empezara a buscar los libros de Excel que pertenezcan al intervalo de tiempo

dado como parámetro, y empezara copiar la información de estos libros en las respectivas hojas

Data y Station Data, en orden cronológico. Dando como resultado un libro de Excel con todos los

datos requeridos existentes reportados en orden cronológico, los datos se encuentran tabulados

con un espacio entre un día y otro.

Figura 15 Cuadros de dialogo para introducir los parametors de agrupar datos

Page 22: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

22

5.2.2 Acotar Datos Al presionar este botón se inicia un proceso de análisis, depuración y cálculo de los datos.

Primeramente el programa seleccionara los datos que estén por debajo de los 5 kilómetros de altura

ya que será el objetivo donde los contaminantes se mesclen dependiendo la estabilidad de esta

primera capa, eliminando los datos que estén por encima de esta altura y reajustando la tabulación.

Se calculara en dos columnas nuevas, la diferencia de altura entre los puntos reportados, y el cambio

de temperatura sobre la diferencia de altura (Dt/Dz), es decir la taza de enfriamiento o

calentamiento de la columna de aire.

Se encontró que la diferencia de altura en los primeros puntos medidos era muy pequeña es decir

Dz muy cercanos y al calcular el Dt/Dz aparecían con regularidad inversiones térmicas fuertes de

pequeño grosor cercanas a la superficie, estas inversiones no se tuvieron en cuenta ya que se

esperaba que desaparecieran rápidamente con la radiación solar, entonces, se resolvió que cuando

el grosor de esta primera capa fuera menor a 50 metros no se calculara el cambio de la temperatura,

que solamente se calcularía hasta obtener un grosor mayor a 50 metros.

Para establecer los índices de estabilidad se resolvió que se calcularían 8 índices en total, 4

relacionados con los datos calculados por la estación los cuales son: CAPE, CINS, # Richardson y agua

precipitable total, y 5 calculados por el programa con los datos medidos: la capa límite de mezcla la

cual se definió como la altura a la cual ocurre la primera inversión térmica así esta sea superficial,

ya que cuando esto ocurra significa que la inversión superficial fue mayor a 50 metros, esperando

que los paquetes de aire no se elevaran por encima de esta capa, los otros indicadores calculados

son: el número de inversiones térmicas por debajo de los 5000 metros, Dt/Dz promedio debajo de

la capa limite, la tasa de mezcla promedio por debajo de la capa limite y la velocidad registrada en

el punto más cercano a la superficie. A continuación se muestra una figura de como presenta los

datos en la hoja Data después de Activar “Acotar Datos”.

Figura 16 hoja data después de ejecutar Acotar Datos

Page 23: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

23

Figura 17 resultados de indicadores en la hoja data para un día

5.2.3 Borrar Datos Este botón simplemente limpia las hojas “Data”, “StationData” y “DatosGraficas”, para poder iniciar

una nueva serie de tiempo.

5.3 Hojas del archivo Como se ha venido nombrando el archivo “copilarInfo” comprende 4 hojas principales: “Data”,

“Station Data”, “DatosGraficas” y “Relacion datos RMCAB”, a continuación se presenta una breve

descripción de cada una de ellas con fin de dejar claro su función.

5.3.1 Data Esta es la hoja principal donde se encuentran los comandos Def. Serie de tiempo, Acotar datos y

Borrar datos ya descritos, además de esto en esta hoja se agruparan los datos completos pedidos

por el comando Def. Serie de tiempo, antes de ejecutar el siguiente comando (Acotar datos) la hoja

contendrá los datos para todas las alturas en el mismo orden en el que se encuentran agrupados en

los archivos de Excel descargados, y después de ejecutar Acotar Datos se eliminaran las filas con

datos de altura mayores a cinco mil metros, se crearan dos columnas nuevas donde se calculara la

diferencia de altura y el cambio de temperatura dividido sobre esta diferencia de altura, como se

muestra en la figura 16

5.3.2 Station Data En esta hoja están almacenado los datos generales de cada día en la estación, es decir los datos de

la figura 18,

Page 24: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

24

Figura 18 ejemplo de la visualización de la hoja Station Data

5.3.3 Datos graficas Esta hoja tiene utilidad después de la aplicación del comando Acotar Datos, y se llenara con los

indicadores obtenidos en el proceso de manera tabulada, para poder graficar fácilmente los datos

como se muestra a continuación.

Figura 19 ejemplo de la visualización de la hoja DatosGraficas

5.3.4 Relacion datos RMCAB Esta hoja aparecerá en blanco con el fin de que en ella se puedan realizar las diferentes

comparaciones y análisis en conjunto con los datos de la red de monitoreo. En esta hoja se creó un

código que se llama desde el botón “Importar y llenar datos”, su función es como se dice importar

Page 25: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

25

los datos de la hoja DatosGrafica y llenar las fechas en donde no hubo reporte de radio sondeo, ya

que para efectos analíticos es mejor tener todas las fechas tabuladas así no tengan datos medidos.

5.4 Comparación de datos Para la comparación de los datos se eligió la serie de tiempo del primero de enero del 2014 hasta el

31 de diciembre del mismo año, ya que hasta este año se tenían datos ordenados de PM medidos

por la red de monitoreo de calidad ambiental de Bogotá RMCAB, entonces se ejecutó la hoja

compilarinfo para estas fechas, y después de obtener los indicadores de estabilidad para este año

se empezó a buscar relaciones entre los indicadores y las concentraciones máximas de PM

registradas diariamente.

Para la selección de los datos de la RMCAB se hizo un análisis de la base de datos existente, en donde

se contaron el número de datos y se ordenaron en una matriz por años y estaciones, encontrando

los años y estaciones con mayor número de datos medidos, la tabla de resultados se muestra a

continuación donde las casillas en verde significan que para esa estación ese fue el año donde mayo

número de datos se registraron

Tabla 5 Resultados de conteo para datos tomados por RMCAB

Con esta información se seleccionaron los datos del 2014 de las estaciones de suba y Carvajal ya que

geográficamente estas se encuentran más cerca al lugar donde se realizó el radio sondeo

(aeropuerto el Dorado), se entrega un mapa de la posición de las estaciones en el anexo 1

Debido a que las relaciones no eran las que se esperaban se decidió realizar comparación en años,

estaciones e índices diferentes, realizando un gran proceso de exploración gracias a las

herramientas computacionales desarrolladas, sin embargo los resultados obtenidos no fueron los

esperados, entonces solamente se reportaron aquellos mencionados anteriormente.

Page 26: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

26

6. RESULTADOS Para el análisis y la búsqueda de relaciones entre los datos del radio sondeo realizado por el

aeropuerto y la contaminación registrada por la red de monitoreo de calidad ambiental de Bogotá,

se usaron nueve indicadores que están relacionados con la estabilidad atmosférica, divididos en dos

grupos principales, el primer grupo se denominara macro indicadores, ya que estos se calculan en

base a los datos totales del muestreo, los cuales fueron: Convective available potencial energie

(CAPE), Convective inhibition CINS, Número de Richardson y agua precipitarle total y los micro

indicadores los cuales se calculan teniendo en cuenta los datos registrados por la sonda los cuales

son: Numero de inversiones térmicas, altura de la capa límite de mezcla, cambio de la temperatura

promedio por debajo de la capa limite (Dt/Dz prom), la taza de mezcla promedio por debajo de la

capa limite y la velocidad del viento registrada más cercana a la superficie.

Teniendo en cuenta estos indicadores se procedió a la comparación por medio de graficas de

dispersión entre cada uno de los indicadores y las concentraciones de PM máximo diario registrado

entre las 7 am y las 9 am por la Red de monitoreo, este procedimiento se realizó para varias

estaciones pero se reportaran solamente para dos de ellas: Estación de Suba PM2.5, y Estación de

del Carvajal PM2.5. Sin embargo es importante resaltar que los datos medidos de PM no existían para

todos los días por tanto las gráficas varían en su número de datos dependiendo de cada estación.

Se presentaran los resultados de manera separada para cada una de las estaciones:

Con base en los resultados obtenidos, se realizaron graficas con el fin de evidenciar la correlación

de algunas variables de acuerdo a los flujos de material particulado reportados para la sonda de

las estaciones Carvajal y Suba.

5.4.1Resultados estación Carvajal Las gráficas obtenidas para la estación de Carvajal fueron los siguientes:

y = 1,993x + 55,104R² = 0,0078

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7

PM

2.5

(µg/

m3

)

Número inversiones termicas por debajo de 2.5Km desde la superficie

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Número de inversiones térmicas medidas por

la sonda en la estación de Carvajal

Page 27: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

27

y = -1,0819x + 65,937R² = 0,0028

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

PM

2.5

(µg/

m3

)

Tasa de mezcla promedio (g/Kg)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Tasa de mezcla promedio por debajo de la

capa limite en la estación Carvajal.

y = -1,9331x + 94,273R² = 0,074

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

PM

2.5

(µg/

m3

)

Agua precipitable (mm)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Agua precipitable total en la columna de

agua en [mm] en la estación Carvajal

y = -0,0017x + 66,045R² = 0,0026

0

50

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

PM

2.5

(µg/

m3

)

Altura de la primera inversión térmica (m)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Altura de la primera inversión térmica

significativa (m) en la estación Carvajal

Page 28: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

28

y = -1,2319x + 60,053R² = 0,0101

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

PM

2.5

(µg/

m3

)

Velocidad de viento [Millas nauticas / hora] (Knot)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Velocidad del viento en la superficie Knot en

la estación Carvajal

y = -0,0272x + 57,564R² = 0,0004

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250

PM

2.5

(µg/

m3

)

Número de Richardson

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Número de Richardson en la estación

Carvajal

y = -0,262x + 58,101R² = 0,0044

0

50

100

150

200

250

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

PM

2.5

(µg/

m3

)

Dt/Dz promedio (C/Km)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Dt/Dz Promedio por debajo de la primera

inversión térmica medida en la sonda en la estación Carvajal

Page 29: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

29

De acuerdo a las anteriores graficas mostradas es posible observar que al relacionarlas con los

reportes de material particulado no se evidencia claramente un patrón en las gráficas y por tanto su

correlación a simple vista no es posible. Sin embargo, al hallar el coeficiente de correlación R2 es

posible ver que la relación entre el material particulado y el agua precipitarle total de la columna de

agua tienen cierta correlación entre si ya que se observa un R2 de 0,074; el cual es el más cercano a

1 de todas las relaciones realizadas.

y = -0,0609x + 56,443R² = 0,0026

0

50

100

150

200

250

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

PM

2.5

(µg/

m3

)

CINS

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. CINS (Inhibición Convectiva) en la estación

Carvajal

y = -0,0103x + 57,62R² = 0,0067

0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

PM

2,5

(µg/

m3

)

CAPE (J/Kg)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. CAPE (energia potencial disponible de

convección) en J/Kg en la estación Carvajal

Page 30: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

30

5.4.2 Resultados Estación Suba En segundo lugar se realizaron las mismas graficas mostradas anteriormente, para la estación Suba,

en donde se obtuvieron los siguientes resultados:

y = 1,4954x + 32,511R² = 0,0142

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7

PM

2.5

(µg/

m3

)

Número inversiones térmicas por debajo de 2.5Km desde la superficie

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Número de inversiones térmicas medidas por

la sonda en la estación Suba

y = -0,1709x + 35,633R² = 0,0002

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

PM

2.5

(µg/

m3

)

Tasa de mezcla promedio (g/Kg)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Tasa de mezcla promedio por debajo de la capa

limite en la estación Suba

y = -0,002x + 42,443R² = 0,0101

0

20

40

60

80

100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

PM

2.5

(µg/

m3

)

Altura de la primer inversión térmica (m)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Altura de la primer inversión térmica significativa

(m) en la estación Suba

Page 31: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

31

y = -0,0641x + 34,526R² = 0,0054

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

PM

2.5

(µg/

m3

)

Número de Richardson

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Número de Richardson en la estación Suba

y = -0,037x + 34,352R² = 0,0003

0

20

40

60

80

100

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

PM

2.5

(µg/

m3

)

Dt/Dz promedio (C/Km)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Dt/Dz Promedio por debajo de la primera

inversión térmica medida en la sonda en la estación Suba

y = -0,0018x + 34,321R² = 0,0007

0

20

40

60

80

100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

PM

2.5

(µg/

m3

)

CAPE (J/Kg)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. CAPE (energia potencial disponible de

convección) en J/Kg en la estación Suba

Page 32: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

32

y = -1,0254x + 54,19R² = 0,0576

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

PM

2.5

(µg/

m3

)

Agua precipitable (mm)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Agua precipitable total en la columna de agua en

mm en la estación Suba

y = -0,8971x + 36,211R² = 0,0158

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

PM

2.5

(µg/

m3

)

Velocidad de viento Millas nauticas / hora (Knot)

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. Velocidad del viento en la superficie Knot en la

estación Suba

y = -0,0445x + 33,818R² = 0,004

0

20

40

60

80

100

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

PM

2.5

(µg/

m3

)

CINS

Concentración máxima de PM2.5 entre las 7 y las 9 AM Vs. CINS (Inhibición Convectiva) en la estación

Suba

Page 33: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

33

Nuevamente, en la estación Suba, se observa una correlación muy débil entre las variables

estudiadas y el reporte de material particulado. Al realizar el cálculo del coeficiente de correlación

R2 se obtiene el mayor valor de R2 para la relación de PM y el agua precipitable total de la columna

de agua, que corresponde a un valor de 0,058 aproximadamente. Al observar este valor, se puede

observar que es menor al obtenido para la estación de Carvajal para el mismo parámetro. Esto

puede deberse a que el número de datos aportado para la estación de Carvajal en el año 2014 es

mayor al número de datos reportados para la estación Suba en ese mismo año.

7. RECOMEDACIONES Se recomienda realizar herramientas similares a la realizada, pero para leer y analizar los datos de

la red de monitoreo de calidad ambiental de Bogotá, con el fin de entender mejor la heterogeneidad

que existe en la emisión de contaminantes en la ciudad, y con esta información seguir explorando y

buscando mejores relaciones entre los datos tomados por la sonda y los medidos en la ciudad.

8. CONCLUSIONES Se construyó un aplicativo en JAVA, con la capacidad de descargar automáticamente los datos

específicos almacenados en la página web de ingeniería de la universidad de Wyoming y

almacenarlos en libros de Excel para su uso en diferentes áreas y proyectos.

Se construyó una base de datos de medidas históricas del radio sondeo realizado en la ciudad de

Bogotá, con los datos existentes desde el año 1973 hasta la fecha de entrega de este documento,

junio del 2016, esta información esta consignada en hojas de cálculo de Excel, y podrá ser utilizada

para fines investigativos y técnicos.

Se construyó una herramienta para facilitar el análisis de los datos que componen la base de datos,

y con la capacidad de calcular de factores relacionados con la estabilidad atmosférica y el

ordenamiento de dichos datos para facilitar su análisis, en otros posibles proyectos investigativos.

En cuanto al último objetivo el cual era encontrar relaciones entre la estabilidad atmosférica medida

por el sondeo y los niveles de contaminación en la ciudad se puede concluir que:

El análisis de los datos arrojo resultados que no son concluyente para poder afirmar la relación entre

la estabilidad atmosférica calculada de esta manera y las concentraciones de PM en la ciudad de

Bogotá.

También se ve que el gradiente de enfriamiento adiabático promedio y típico para Bogotá esta entre

5 y 10 C/Km, esto de las gráficas del gradiente en donde vemos una acumulación masiva de puntos

en este rango.

Page 34: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

34

Sin embargo para el resto de los indicadores no se observa ninguna relación concluyente con los

contaminantes, y por tanto no es posible concluir que estos indicadores calculados con datos del

sondeo realizado en el Dorado-Bogotá se relacionan de manera concluyente con la concentración

de PM en la ciudad.

Al parecer la concentración de PM en la ciudad parece estar más relacionada con la emisión que con

la distribución y la capacidad de dispersión de la atmosfera, ya que no se encontraron relaciones

importantes entre estos y la concentración de PM medida

Page 35: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

35

9. Referencias American Meteorological Society. (25 de Abril de 2012). Meteorology Glossary. Obtenido de

Convective Inhibition: http://glossary.ametsoc.org/wiki/Convective_inhibition

Castro, M., Gonzalez, R., & Portela, A. (s.f.). Parametrización de la capa límite atmosferica en los

modelos numericos de pronostico meteorologico. Obtenido de

http://revistas.ucm.es/index.php/FITE/article/viewFile/FITE9191110103A/12483

EcuRed. (2016). Indice de Tiempo. Obtenido de

http://www.ecured.cu/%C3%8Dndice_de_tiempo_severo#Inhibici.C3.B3n_convectiva_.28

Convective_inhibition_CIN.29

Fundacion para la Salud Geoambiental. (2013). Material Particulado. Obtenido de

http://www.saludgeoambiental.org/material-particulado

Garcia, D. (Mayo de 2015). Universidad de los Andes. Obtenido de Determinacion del ciclo diurno y

calculo de la concentracion de material particulado PM10 y PM2.5 en el suroccidente y el

nororiente de la ciudad de Bogota D.C. por metodos gravimetricos y volumetricos:

https://biblioteca.uniandes.edu.co/visor_de_tesis/web/?SessionID=L1Rlc2lzXzIwMTUyMD

EvNjUyMS5wZGY%3D&as_sfid=AAAAAAW_DORaZWva-uhJ4NAtNpuXRBcaMV-

9VdxNLbwbQeUnYmCeW9HxCGFs4Fqr4url0xkxiRJN0HvwXT7mvcwUb6cyY6L91rhJIZtxDYE

BQJ9x1g%3D%3D&as_fid=A1iUA1iqTbgdZjgZ8ES

Gerardo de J. Montoya, W. C. (2004). CARACTERÍSTICAS DE LA TURBULENCIA Y DE LA ESTABILIDAD

ATMOSFERICA EN BOGOTA. BOGOTA.

Guerrero, O. (2013). Universidad Nacional de Colombia. Obtenido de Desarrollo de una

metodologia para evaluar la cobertura espacial de la red de monitoreo de la calidad de

aire de Bogota: http://www.bdigital.unal.edu.co/10269/1/822211.2013.pdf

Montenegro, S. (20 de Junio de 2012). Salud Ambiental. Obtenido de Exposicion al Material

Particulado (PM) y efectos en salud respiratoria:

http://susanmontenegro2012.blogspot.com.co/2012/06/exposicion-material-particulado-

pm-y.html

Montoya, G., Cepeda, W., & Eslava, J. (s.f.). Ciencias de la Tierra. Obtenido de Caracteristicas de la

Turbulencia y de la Estabilidad Atmosferica de Bogota:

http://www.accefyn.org.co/revista/Vol_28/108/03_327_336.pdf

Ochoa, A., & Cantor, D. (s.f.). Tendencias de largo plazo en cinco indices de estabilidad atmosferica

en Colombia. Obtenido de Universidad Nacional de Colombia:

http://www.bdigital.unal.edu.co/4113/1/DD954.pdf

Page 36: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

36

Organización Panamericana de la Salud. (Enero de 2005). Curso de autointrucción. Conceptos

básicos sobre la meteorología de la contaminación del aire. Obtenido de

http://www.bvsde.paho.org/cursoa_meteoro/frame_m2.html

Universidad Nacional Abierta y a Distancia. (2015). UNAD. Obtenido de

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358007/Contenido_en_linea_Caraterizacion/lecc

in_19_estabilidad_atmosfrica_y_altura_de_mezcla.html

University of Wyoming. (s.f.). Sounding Station Parameters and Indices. Obtenido de

http://weather.uwyo.edu/upperair/indices.html

University of wyoming. (s.f.). University of Wyoming. Obtenido de weather UWYO:

http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

Page 37: ANÁLISIS DE LA RELACIÓN ENTRE INDICES DE ESTABILIDAD

37

ANEXO 1