4 marzo, 2024 9:31 am

Aplicación de radares meteorológicos en hidrología operativa urbana

Michel Rosengaus Moshinsky Ingeniero civil, maestro en Ingeniería (Hidráulica) y doctor en Ciencias (Hidrodinámica e Ingeniería costera). Fue investigador del IMTA, coordinador general del Servicio Meteorológico Nacional y representante permanente de México ante la OMM/ONU.


Uno de los problemas que enfrentan las ciudades son los rápidos tiempos de concentración del agua precipitada sobre sus cuencas, no solamente en flujo superficial, sino incluso a través de sus redes de drenaje. Esto hace que el monitoreo cuantitativo de la precipitación pluvial adquiera especial relevancia, por los breves intervalos disponibles para operar la infraestructura hidráulica (compuertas y plantas de bombeo, reorientación de flujos, etc.) y por lo rápido que se presentan encharcamientos e inundaciones en sus zonas bajas o en sus pasos a desnivel.

 

El monitoreo cuantitativo no solamente les es útil a los operadores de la infraestructura hidráulica, sino a los cuerpos de rescate de protección civil, las autoridades de tránsito y hasta los centros remotos de concentración de información (popularmente denominados C2 hasta C5). El radar meteorológico puede realizar este monitoreo en tiempo real en forma remota (desde una sola ubicación de la ciudad) con renovación de datos muy frecuente y con grandes ventajas en cuanto a la detección de la estructura de dichas lluvias en tiempo y espacio, especialmente durante tormentas convectivas, tan importantes en nuestro país. Aunque el monitoreo de la lluvia en tiempo real es en sí un insumo importante para el pronóstico hidrológico, el gran alcance del radar (típicamente rebasando la extensión de la propia ciudad) permite identificar, rastrear e incluso pronosticar el movimiento y evolución de tormentas que avanzan hacia la ciudad pero que no se generan directamente sobre ella. Los radares modernos también pueden ser auxiliares importantes en el rastreo del movimiento de los contaminantes atmosféricos a través de la medición del componente radial del viento a diversas alturas (utilizando el efecto Doppler).

 

Limitaciones de redes de pluviómetros

La forma más tradicional de medir el campo de precipitación pluvial es a través de una red de pluviómetros; en el contexto que nos ocupa, pluviómetros automáticos y telemétricos (de otra forma el monitoreo no sería en tiempo real). Aunque estos pluviómetros son relativamente precisos (con buen funcionamiento y calibraciones frecuentes, del orden de ±10% alrededor del valor real), su área representativa es extremadamente pequeña, sobre todo cuando se consideran acumulados en unos 5 minutos, para ser útiles en tomas de decisiones en el ámbito urbano. Es por ello que para estimar el campo de lluvias (distribución espacial y temporal) se recurre a interpolar geométricamente los puntos de medición. Y es aquí donde aparece la principal limitación para aplicaciones urbanas bajo tormentas convectivas. Los núcleos convectivos individuales de las tormentas de verano son relativamente poco extensos en planta, del orden de unos cuantos kilómetros, por lo que para poder muestrear la verdadera distribución cuasiinstantánea de la lluvia se requiere una separación entre instrumentos que sea del orden de 1 kilómetro. Esto implicaría una red con un número de instrumentos muy elevado (por ejemplo, para la Ciudad de México, con 1,485 km2, se requerirían del orden de 1,500 instrumentos). En la Ciudad de México, aun contando con la red más densa del país, se contabilizan sólo del orden de 100 instrumentos. Como otro ejemplo, el municipio de León, Guanajuato, con 1,220 km2, cuenta con tan sólo 12 pluviómetros automáticos telemétricos. El resultado de este severo submuestreo de la verdadera estructura de las tormentas hace que que el campo de lluvia interpolado entre estos instrumentos sea una muy burda aproximación a la realidad, posiblemente adecuada para la correcta evaluación de láminas mensuales o anuales o de lluvias de carácter estratiforme, pero severamente inadecuada para acumulados en 60 minutos o menos en el caso de tormentas convectivas. Es aquí donde presenta su mayor ventaja el radar meteorológico.

 

Radar meteorológico

El radar meteorológico es un sensor remoto que opera bajo el principio de emitir pulsos electromagnéticos de corta duración (del orden de 1 microsegundo) a intervalos regulares (del orden de 1 milisegundo). Estos pulsos viajan radialmente en la dirección a la que en dicho momento esté apuntando la antena hacia el infinito, pero al encontrar zonas atmosféricas que cuentan con suficientes gotas suspendidas de tamaño apropiado para estar precipitando, producen una pequeña retrodispersión de energía electromagnética, misma que viaja de regreso hacia el radar que la capta y la mide a su regreso. La zona de lluvia detectada se ubica tridimensionalmente por los ángulos de acimut y de elevación de la antena en dicho momento, y su distancia radial al radar por el tiempo que le toma al eco regresar a éste a la velocidad de la luz desde el último pulso emitido. La antena se mueve continuamente en acimut, incrementando su ángulo de elevación en cada revolución completa de ésta, de tal manera que al final del ciclo ha muestreado todo el volumen atmosférico alrededor del radar. Pero el radar también mide la potencia recibida en el eco, y ésta es un indicador de la densidad y tamaño de gotas, que indirectamente permite estimar la intensidad de lluvia (en milímetros por hora). Los radares para aplicaciones urbanas operan por lo general en banda X (longitud de onda de 3 cm), tienen relativamente baja potencia, lo que les permite ubicarlos seguramente en el interior de la ciudad, y tienen alcances operativos del orden de unos 100 km alrededor. Pero ¿con qué resolución en planta pueden medir la lluvia? Su resolución radial típica es de unos 150 a 300 metros, mientras que su resolución angular (en acimut y elevación) es de 1 grado. Es decir, a unos 30 km de distancia del radar pueden percibir la lluvia a una resolución de unos 150 × 500 m, mientras que a unos 60 km pueden percibir la lluvia a una resolución de unos 300 × 1,000 m, en ambos casos suficiente para muestrear adecuadamente tormentas convectivas. Es importante mencionar que el radar no sólo es capaz de medir el primer blanco presente en la dirección radial, porque la mayor parte de la energía sigue avanzando hacia el infinito para detectar otros posibles blancos posteriores, por lo que el despliegue del radar cubre de alguna forma todo su dominio tridimensional (véase figura 1).

Por supuesto, el radar no mide la intensidad de lluvia directamente sobre el suelo, sino a cierta altitud sobre él (los haces de radar muy cercanos al suelo están contaminados por ecos que no son atmosféricos). La ubicación ideal para un radar meteorológico urbano es una que le permita a su haz electromagnético más bajo pasar por arriba de los obstáculos urbanos (suelo, edificaciones y orografía) y al mismo tiempo ser suficientemente bajo para que la intensidad de lluvia resulte muy similar a la que se mediría directamente sobre el suelo.

Los radares más modernos tienden a tener tres características adicionales a la arriba descrita: capacidad Doppler, capacidad de doble polarización y tecnología de estado sólido. La capacidad Doppler permite al procesador medir el así llamdo defasamiento Doppler en las ondas individuales de los pulsos entre los emitidos y los recibidos. Éste es directamente proporcional a la velocidad a la que el blanco detectado se está acercando o alejando del radar. En el caso de gotas de agua suspendidas en la atmósfera, éstas son arrastradas por los vientos prevalentes, por lo que el radar puede medir la velocidad radial del viento, útil para estimar el movimiento de las tormentas pero también de otros materiales suspendidos en la atmósfera.

La doble polarización permite al radar emitir y percibir pulsos orientados con el campo eléctrico horizontal y con el campo eléctrico vertical. Como las gotas cayendo no son totalmente esféricas y responden de manera diferente a estas dos polarizaciones, el radar puede obtener información adicional sobre el tipo de blanco (agua, nieve, granizo, insectos, parvadas de pájaros, etc.) y la distribución de tamaños de gotas, así como usar dicha información para compensar mejor contra la pérdida de energía al pasar a través de la atmósfera (atenuación).

Los radares de estado sólido cuentan con una electrónica moderna similar en tipo a la de los televisores o computadoras modernas, lo que los hace más estables a lo largo del tiempo y menos sujetos a fallas de la electrónica de alto poder antigua. Al operar con bajas potencias pueden ser ubicados sin peligro en el interior de zonas urbanas. Pero también es cierto que sus alcances máximos suelen ser más limitados, aunque en aplicaciones urbanas (una sola ciudad) no son necesarios los grandes alcances (del orden de 300 km) de los radares tradicionales.

 

El radar de la Ciudad de México

El más reciente de los radares instalados en nuestro país es el de la Ciudad de México, operado por el Sistema de Aguas de la Ciudad de México (Sacmex), ubicado en una cima secundaria del Cerro de la Estrella y en operaciones desde junio de 2018 (véase figura 2). Esta ubicación, unos 225 metros por arriba de la parte más baja del Valle de México, le permite a su haz más bajo pasar por arriba de los edificios más altos y, de forma simultánea, medir relativamente cerca del suelo. Está programado para operar en barrido volumétrico a un alcance de 33 km cubriendo el 100% de la CDMX a una resolución radial de 150 metros. Alternativamente puede operar a un alcance de 60 km cubriendo el 100% de la zona conurbada, a una resolución radial de 300 metros. Finalmente, para vigilancia con renovación de datos muy frecuente puede operar a un ángulo de elevación fijo (0.5 grados) hasta alcances de 120 km, lo que va más allá del parteaguas de la cuenca del Valle de México, a una resolución radial de 750 metros. En este modo vigilancia renueva sus mediciones cada 20 segundos. En el caso de los barridos volumétricos, renueva sus mediciones completas cada 5 minutos (los barridos volumétricos tienen 15 ángulos de elevación distintos). La antena parabólica (en realidad, un paraboloide de revolución) tiene un diámetro de 2.2 metros que le brinda, en su banda X, un ancho del haz de 1.0 grados. En modo barrido volumétrico ejecuta una revolución en acimut cada 17 segundos. Tiene una potencia de transmisión de 800 watts y es totalmente digital de estado sólido. Se encuentra montado sobre una torre de 18 metros de altura, lo que le permite salvar el obstáculo de la pirámide que se encuentra en la cima principal del Cerro de la Estrella. Tiene capacidad Doppler y también doble polarización. Todas las mediciones (reflectividad, Doppler y doble polarización) se realizan simultáneamente en el mismo barrido.

Transmite sus datos en tiempo real, vía enlaces de microondas dedicados, directamente a las oficinas centrales del Sacmex y al C5 de la CDMX. Indirectamente, vía Sacmex, sus mediciones se reciben también en oficinas de Protección Civil de la ciudad. Desde el edificio del Sacmex, uno de sus productos (la máxima reflectividad en la vertical) se transmite al público por la página web del Sistema de Aguas, en animaciones que cubren la última hora a intervalos de cada 5 minutos, lo que le permite identificar dónde ha estado y está lloviendo, con mínimos requerimientos de interpretación meteorológica.

Actualmente, la intensidad de lluvia sobre todo el dominio puede estimarse a través de expresiones de transformación de reflectividad a intensidad de lluvia obtenidas en otros estudios y en otras latitudes, pero no han sido calibradas para condiciones específicas de diferentes épocas del año dentro del Valle de México. Esto no limita su uso para la ubicación exacta de las tormentas en espacio y tiempo, y su evaluación relativa sobre la intensidad de lluvia.

 

Perspectivas

El Sistema de Aguas de la Ciudad de México cuenta con una red de pluviómetros digitales telemétricos con cerca de 100 unidades distribuidas sobre toda la ciudad, y algunas incluso sobre el Estado de México. De esta manera está en posibilidades de realizar un estudio de calibración hidrológica de su radar, es decir, de comparación de mediciones simultáneas del radar con las mediciones de sus pluviómetros. Esto proporcionaría unos100 puntos de compararción hasta 288 veces al día (cada 5 minutos), con lo cual se pueden obtener relaciones reflectividad a intensidad de lluvia que sí se ajusten a las condiciones particulares del Valle de México en diferentes épocas del año. Idealmente, con estas relaciones ya calibradas, el mapa de precipitaciones pluviales vía radar coincidiría puntualmente con las mediciones directas en tierra, pero la estimación del campo completo de lluvias ya no sería por medio de una interpolación geométrica entre pluviómetros, sino a través de las mediciones de alta resolución del radar.

Además, el Instituto de Ingeniería de la UNAM cuenta con una red de 52 disdrómetros ópticos distribuidos sobre el Valle de México, los que brindan, además de la intensidad de lluvia, información sobre la distribución de tamaños de gotas cayendo sobre la superficie. Esta información resulta muy útil para evaluar con mayores datos las relaciones reflectividad a intensidad de lluvias ideales. Eventualmente, la retroalimentación entre el radar y las redes de pluviómetros y disdrómetros podrían ser en tiempo real, para obtener un sistema híbrido que utilice las mejores capacidades de cada subsistema, en forma análoga a como se hace desde hace muchos años, por ejemplo, en Japón.

 

Conclusión

Se han planteado las razones por las que una red de pluviómetros automáticos telemétricos de una densidad normal tiene limitaciones para alimentar la toma de decisiones en tiempo real sobre la precipitación pluvial, el escurrimiento y la alerta sobre inundaciones en zonas urbanas. También se han esbozado los principios de operación del radar meteorológico y las razones por las que éste puede compensar las limitaciones de las redes de pluviómetros de forma satisfactoria. Se han descrito las características esenciales del recientemente instalado radar meteorológico de la Ciudad de México, como ejemplo de la aplicación de esta herramienta en zonas urbanas, y se presentaron perspectivas factibles en la ciudad para explotar de mejor forma la infraestuctura instrumental de la que se dispone. Con esta información se busca promover y facilitar la aplicación de radares meteorológicos como herramientas operativas en las múltiples zonas urbanas que en México existen con problemáticas similares.

 

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