Evolución diurna de la capa límite atmosférica : caracterización experimental mediante radiosondeos, uso de un modelo de regresión no lineal y del modelo Calmet - Pérez Olave, Leonardo Manuel; Bazán Bolaños, Tomás (Panamá : Universidad Tecnológica de Panamá, 2012)
La altura de la capa limite atmosférica (CLA) juega un papel importante en los modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos, ya que define el volumen sobre el cual pueden dispersarse los contaminantes emitidos desde la superficie terrestre. La determinación del espesor de este estrato y su evolución a lo largo del día condensa una enorme complejidad, debido a la inexistencia de una formulación única y la variabilidad regional de los efectos de fricción, evaporación y transporte de calor que inducen los flujos de calor, masa y momento hacia las capas superiores mediante movimientos turbulentos. El presente estudio ha abarcado la vía experimental y el campo teórico; la primera vía ha permitido establecer una base de conocimiento sobre la evolución diurna del espesor de la CLA en función del estudio y análisis de los resultados experimentales; con el terreno teórico se ha intentado reproducir lo que experimentalmente ha sido encontrado, mediante modelos de regresión no lineales y más a fondo y mejorado en el contexto del modelo meteorológico CALMET, dando los primeros pasos hacia la validación de un modelo. El despliegue experimental consistió en el lanzamiento de radiosondas Väisälä atadas a globos inflados con gas helio, mediante éstas se capturaron los datos atmosféricos de altura (temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento), se hicieron 6 lanzamientos por día durante 5 días continuos buscando cubrir de manera uniforme el ciclo diurno. Adicional a estos datos, los registros de la estación de superficie y de radiosondeo de la ACP fueron tomados para los cálculos posteriores. Las alturas de la CLA se determinaron mediante el método de Holzworth (1964) relacionando 6Tamb/dz con OTadia/éz dando como resultado alturas que van desde 277m hasta 1.710m a las 07:00am y 12:00md respectivamente. El análisis de regresión mostró que la evolución diurna de la CLA obtenida experimentalmente se ajusta a un polinomio de forma y = ax+bx2"+cx3-d con un coeficiente de correlación igual a 0,95, por otro lado, los análisis de correlación de la CLA versus variables de superficie revelaron que existe una relación lineal estrecha entre la CLA y temperatura en superficie (r=0,78) y aún más entre ésta y la radiación solar (r=0,84), sin embargo, se encontré una pobre relación de ésta con la velocidad del viento (r=0,40), demostrando así la supremacía de la los efectos convectivos sobre los efectos mecánicos a lo largo del día. Se ajustaron los resultados experimentales a un modelo de regresión múltiple, obteniéndose que Hitar =-1198,07 + 65,0887 * Te, +0,833747*R, este modelo es capaz de reproducir los valores de CLA entre las 07:00 y las 19:00 en función de la radiación solar y la temperaturas de superficie (r=0,87, P<0,05). Los resultados obtenidos mediante el modelo CALMET son aceptablemente buenos, la comparación de estos datos con los resultados experimentales permite desarrollar el modelo ajustado (ecuación 4.10) para determinar la evolución de la CLA en función de un mayor número de variables que el modelo anterior mostrado. Es de resaltar que los estudios realizados han contemplado un número de datos limitado y para las condiciones meteorológicas dadas durante el periodo de estudio, por tanto, el estudio de este parámetro en base a campañas experimentales y diferentes escenarios meteorológicos se hace estrictamente necesario antes de su implementación.
The height of the atmospheric boundary layer (ABL) plays an important role in the dispersion modeling of air pollutants, as it defines the volume on which pollutants emitted from the ground may disperse. The determination of the thickness of this layer and its evolution throughout the day condenses an enormous complexity, due to the lack of a unique formulation and regional variability of the effects of friction, evaporation and heat transfer, which induce heat, mass and momentum fluxes to the upper layers by turbulent motions. There are several methodologies referenced to determine the height of the ABL at a given time, its temporal evolution, for day or night period, or for different atmospheric stability conditions (stable, neutral or unstable), these methodologies are dependent on surface variables, upper air variables or a mixture thereof. This study includes an experimental and a theoretical component; the first one has permitted establish a knowledge base on the diurnal evolution of the thickness of the CLA as a function on the study and analysis of experimental results; with the theoretical component has been sought to reproduce what has been found experimentally, by nonlinear regression models and further and improved in the context of the CALMET meteorological model, taking the first steps toward validating a model. Atmospheric stability conditions are studied prior to the election and run of CALMET model, given the dependence of it of the atmospheric stability. The experimental display consisted Vaisala radiosonde launches tied to balloons inflated with helium gas, by which were captured the upper air data (temperature, humidity, wind speed and direction), there were six launches per day during five consecutive days aiming uniformly cover the diurnal cycle. In addition to these data, the meteorological records of the surface station and radiosonde station were taken for further calculations. The heights of the ABL were determined by the method of Holzworth (1964) relating @Tamb/éz with CTadia/éz resulting in heights ranging from 277meter to 1710 meter at 07:00 am and 12:00 pm respectively. Regression analysis showed that the diurnal evolution of the ABL obtained experimentally fits to a third-degree polynomial as y = ax + bx2 + cx3-d, with a correlation coefficient equal to 0,95. On the other hand, correlation analysis of the ABL versus the surface variables revealed that there is a close linear relationship between the ABL and surface temperature (r=0,78), and even more between it and the total solar radiation (r=0,84). However, there was a poor relationship of it with the wind speed (r=0,40), demonstrating the supremacy of the convective effects on the mechanical effects throughout the day. Experimental results were fitted to a multiple regression model, obtaining that HiteiRi: = -1198,07 + 65,0887*Te +0,833747*Ri, this model may reproduce the values of the ABL between 07:00 and 19:00 as a function of solar radiation and surface temperatures (r=0,87; P<0.05). The results obtained by the CALMET model are acceptably good, comparing these data with experimental results allowed the development of the fitted model showed as equation 4.10, to determine the evolution of the ABL as a function of more variables than the previous model shown. It is noteworthy that the studies conducted have considered a limited number of data and for the meteorological conditions given during the study period, so the study of this parameter and model by more extensive experimental campaigns in time and space and under different meteorological scenarios is necessary prior to its implementation.
Introducción. -- Capítulo 1. Definición y características de la capa límite atmosférica. -- Capítulo 2. Bases teóricas de la capa límite. -- Capítulo 3. Caracterización experimental de la capa límite atmosférica: estimación de su evolución diurna y dependencia de variables. -- Capítulo 4. Estimación de la altura de la capa límite atmosférica a partir de un modelo diagnóstico y su comparación con modelos numéricos lineales. -- Capítulo 5. Conclusiones generales y posibles líneas de investigación. Referencias bibliográficas.
Incluye listas de figuras, tablas, cuadros.
Tesis (
Incluye referencias bibliográficas, páginas 93-101.
MCMERA
Depósito UTP.
Keywords: Atmósfera; Capa límite (Meteorología) -- Experimentos de campo; Atmósfera - Investigaciones; Troposfera; Temperatura atmosférica; Contaminación del aire; Modelos matemáticos; Análisis de regresión; Ingeniería mecánica; Tesis y disertaciones académicas; Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialización en Energías Renovables y Ambiente