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4 Base de datos BSRN.
En este proyecto se estudia el comportamiento estadístico a largo plazo de
la radiación de dos ubicaciones diferentes del territorio de Estados Unidos. La base
de datos que se ha seleccionado de entre todas las vistas en el apartado 3 es la
BSRN por sus exigencias en modelos de los aparatos de medida utilizados, e
instalación y mantenimiento de los mismos: en definitiva, por sus exigencias en la
calidad de las medidas.
BSRN es un proyecto del Radiation Panel para el Global Energy and Water
Cycle Experiment (GEWEX), amparado por el World Climate Research Programme
(WCRP). El proyecto Radiation Panel fue puesto en marcha para guiar al GEWEX en
su objetivo principal: la determinación global de los flujos de agua y energía en la
atmósfera y en la superficie, tomados como elementos variables en escala estación-
año, y la respuesta de los sistemas climáticos en escala temporal de década-año
ante variaciones debidas al cambio climático.
Las medidas de datos son de gran importancia en el respaldo de la
validación y confirmación de estimaciones por modelos o satélite de estas
cantidades. Con un pequeño número de estaciones (actualmente unas 58)
repartidas por las diferentes zonas climáticas, se cubre el planeta desde los 80º N
hasta los 90º S. En dichas estaciones, la radiación solar y atmosférica son medidas
con la instrumentación más precisa del mercado y con la frecuencia más alta (de 1
a 3 minutos).
La BSRN fue designada recientemente (a principios de 2004) como la red
global de radiación en superficie por el Global Climate Observing System (GCOS).
Esta base de datos también contribuye al Global Atmospheric Watch (GAW).
Los datos tomados por BSRN son almacenados en un archivo central,
denominado World RadiationMonitoring Center. La información registrada sobre
radiación se guarda junto a información detallada sobre la localización de la
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central de medida y las condiciones atmosféricas de esos instantes, todo ello en
una base de datos común. La alta precisión de las medidas de radiación contenidas
en la BSRN es descrita a continuación, y ha sido utilizada para validar modelos de
cambio climático global y algoritmos de satélite, y es el comienzo del desarrollo de
una extensa, documentada y muy representativa base de datos. Esta base de datos
se vale de la información proporcionada por otros programas de medidas a largo
plazo, como los que tradicionalmente llevan a cabo muchos gobiernos, y sigue
animando a instituciones del sector que colaboren en este programa, ofreciendo
una red de interacción y participación directa con los mejores científicos del
mundo dedicados al estudio de la radiación en la superficie terrestre. A estos otros
programas se les exige una altísima calidad en instrumentación de medida y una
metodología determinada en la calibración de los mismos cada determinado
tiempo.
4.1 Proyecto.
Origen/Antecedentes.
Se cree que el balance de radiación en la atmósfera terrestre juega un papel
fundamental en la determinación de las condiciones térmicas y de circulación de la
atmósfera y el océano, dando forma a las principales características del clima
terrestre. La irradiancia en la superficie de La Tierra es especialmente importante
para entender los procesos climáticos, ya que la superficie de La Tierra transforma
aproximadamente el 60% de la radiación solar absorbida por el planeta. Esta
irradiancia también ocupa un lugar importante en los balances energéticos de los
océanos, influyendo por lo tanto en las características de las corrientes marinas.
Mientras que pequeños cambios en la irradiancia que llega a la superficie de
La Tierra puede causar profundos cambios en el clima, la existente red
radiométrica no será jamás capaz de llegar a la precisión requerida para la perfecta
investigación del clima. De hecho, nuestro conocimiento actual de la distribución
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de la radiación, tanto horizontal como vertical, no es suficiente para comprender el
clima que tenemos hoy en día. La simulación de pasados y futuros cambios
climáticos, los cuáles son inducidos por el cambio en la radiación, es aún más
imprecisa.
Todo esto fue el origen que llevó al World Climate Research Programme
(WCRP) Radiative Fluxes Working Group a iniciar una nueva red de bases de datos
(BSRN) para apoyar los proyectos de investigación del WCRP y otros programas
científicos.
Objetivos de la BSRN.
El objetivo de la BSRN es el de proveer, usando un alto ratio de muestreo, de
observaciones de la mejor calidad posible, para flujos de radiación en superficie
tanto de onda corta como de onda larga. Estas observaciones son tomadas de un
pequeño número de estaciones, situadas en diferentes zonas climáticas, y con
información no sólo radiométrica sino también geográfica y meteorológica.
Las uniformes y consistentes medidas de la red de BSRN son usadas para:
• Observar las mediciones radiométricas de onda corta y larga y sus
variaciones a lo largo del tiempo con los mejores métodos disponibles en el
momento.
• Proveer de información a la validación y evaluación de estimaciones
basadas en medidas de satélites.
• Producir una base de datos de alta calidad para comparaciones de
cálculos de modelo climático.
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Objetivos de la WRMC.
La WRMC fue arrancada por la División de Ciencias Climáticas en el
Instituto de Investigación Polar y Marina Alfred Wegener en Bremerhaven,
Alemania. La WRMC gestiona la base de datos BSRN. Sus funciones son:
• Recibir información de las estaciones de la BSRN y, si dicha
información cumple los requerimientos de consistencia y calidad, insertarlos en la
BSRN.
• Devolver valores dudosos a las estaciones de BSRN de origen y
responder a quejas.
• Poner al día, mantener y salvaguardar la WRMC.
• Redistribuir la información vía ftp y por la web PANGAEA.
• Mantener dichos servidores.
Estado del arte.
Número de Estaciones.
Hoy en día hay unas 58 estaciones de BSRN en operación. Estas estaciones
miden diferentes conjuntos de variables solares. Algunas estaciones llevan a cabo
únicamente “medidas básicas”, mientras que otras registran, aparte de estas
“medidas básicas”, “otras medidas”, así denominadas en la página web.
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Figura 4.1.1. Imagen de una estación de la BSRN.
La ampliación de la red de estaciones de medida está en curso. Algunas de
estas nuevas estaciones deberían estar en operación durante este mismo año
2011.
Base de datos.
La base de datos BSRN está contenida en PANGAEA. Esta red pública para
datos geocientíficos y medioambientales es una librería de acceso libre cuyo fin es
archivar, publicar y distribuir información para investigaciones en La Tierra. Toda
esta información resulta de fácil acceso gracias al motor de búsqueda de PANGAEA
o mediante los links de la página de WRMC. La descripción de la información que
se vaya a descargar es clara y concisa, e incluye el nombre e dirección de correo
electrónico del principal investigador para cualquier necesidad de contacto. El
acceso a esta base de datos está permitido para cualquier persona que acepte las
condiciones de uso.
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Acceso mediante servidor ftp.
De manera adicional a la página web PANGAEA, los archivos originales de
la estación, los cuales no han pasado ningún control de calidad, se pueden tomar
del servidor: ftp.bsrn.awi.de.
Estaciones BSRN en el mundo.
Actualmente hay 58 estaciones de medida repartidas por todo el mundo
que participan en este programa. En las figuras 4.1.2-6 se pueden ver las áreas
geográficas con mayor densidad de estaciones.
Figura 4.1.2. Estaciones de la BSRN en Europa.
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Figura 4.1.3. Estaciones de la BSRN en Estados Unidos.
Figura 4.1.4. Estaciones de la BSRN en Sudamérica.
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Figura 4.1.5. Estaciones de la BSRN en África.
Figura 4.1.6. Estaciones de la BSRN en Australia.
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4.2 Cómo formar parte de la red WCR.
Todos los requisitos para participar en el programa World Climate
Research quedan recogidos en un detallado manual elaborado por la BSRN y
disponible en su página web. En él se especifican todas las condiciones que tiene
que tener una estación meteorológica para poder formar parte de esta red.
Este manual es muy concreto y exigente, y trata todos los aspectos de una
estación meteorológica:
• Todas las estaciones meteorológicas que quieran pertenecer a la red
de la BSRN deben disponer de un especialista en radiación que las dirija.
• Condiciones de la ubicación de la estación: ésta no puede estar en un
lugar de difícil acceso. Con esto se facilitan mucho las rutinarias y frecuentes
inspecciones y el mantenimiento de la instrumentación.
• Instalación de los equipos. En este apartado se habla desde la
instrumentación eléctrica y el cableado hasta la ventilación.
• Precisión de los instrumentos de medida. Se exigen determinados
márgenes de error en la medida que van asociados al tipo de aparato y a la
calibración. Por ello, este manual proporciona tanto modelos concretos de
instrumentos de medida recomendados (con ellos se asegura llegar a los márgenes
de incertidumbre exigidos) como el procedimiento de calibración completamente
definido. Todo esto se hace para lograr tener un nivel de incertidumbre de la
medida determinado en todas las estaciones que hay repartidas por todo el
mundo.
En el caso de las magnitudes que se van a estudiar en este proyecto, estos
límites serían:
o Para la radiación directa, la incertidumbre objetivo de las medidas es
de un 1 % o 2 W/m2.
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o Para la radiación global, la incertidumbre objetivo de las medidas es
de un 2 % o 5 W/m2.
• Calibración. El proceso de calibración de los aparatos, sobre el cual
no hay ninguna norma escrita, queda bien descrito en este manual para asegurar
que todos los equipos siguen el mismo procedimiento y que, por tanto, sus
medidas tendrán la misma calidad.
4.3 Estaciones seleccionadas.
Como ya se ha visto, la base de datos seleccionada como fuente de
información ha sido la BSRN. De todas las estaciones que forman parte de esta red,
finalmente se han elegido tres para la realización de este estudio, que son:
• Billings (BIL), localizada en Oklahoma, Estados Unidos.
• S. Great Plains (E13), localizada en Oklahoma, Estados Unidos.
• Chesapeake Light (CLH), localizada en el Océano Atlántico, muy cerca de
la costa de Virginia, Estados Unidos.
Los motivos por los que se han elegido estas estaciones son los siguientes:
• Las tres estaciones tienen la misma latitud que Sevilla, en torno a
37º. Esto se ha elegido así para poder realizar el posterior análisis comparativo de
resultados con el estudio cedido por GTER, nombrado anteriormente.
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Estación Longitud Latitud
BIL -97,5160 º 36,6050 º
E13 -97,485 º 36,6050 º
CLH -75,7130 º 36,9050 º
• Se han descartado estaciones que contuvieran menos de 11 años de
datos. Esta duración es la longitud estimada del ciclo de manchas solares, más
conocido como ciclo solar1.
Imponiendo el cumplimiento de las condiciones anteriores se llega a las
estaciones CLH, BIL y E13, que serán las tres que conformen este estudio.
Debido al emplazamiento de estas estaciones de medida, las ventajas
obtenidas fueron:
• Las estaciones BIL y E13 se encuentran a menos de 10 km, por lo que
sus datos se han complementado, llegando a un conjunto de 15 años mucho más
completo.
• Al considerar los registros de estas dos estaciones como una única
base de datos, finalmente se analizarán dos emplazamientos con distintas
condiciones climáticas, uno en la costa (CLH) y otro en el interior (BIL+E13).
1 observado por primera vez de forma sistemática por Rudolf Wolf, movido por estudios
anteriores de estas manchas solares realizados por Heinrich Schwabe entre 1826 y 1843.
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Figura 4.3.1. Estaciones BSRN estudiadas.
4.4 Instrumentación y calidad.
Respecto a la calidad de las medidas realizadas, la BSRN no realiza ningún
control ni análisis de los datos en sí. Esta institución se limita a controlar que todas
las estaciones realicen la instalación de los equipos, su mantenimiento y las
medidas en sí de acuerdo a la minuciosa metodología creada por ellos mismos y
que ponen en conocimiento de cualquier interesado por medio del manual
nombrado en el apartado 4.2.
Actualmente y según la página web, en la BSRN están estudiando la
posibilidad de realizar informes de calidad para los datos de todas las estaciones
de su red, a fin de mejorar la información suministrada.
Por ello, el control de calidad de los datos lo realizan las estaciones
mismas que, como ya hemos visto, son llevadas por un experto en radiación. Los
resultados de estos controles se publican frecuentemente en aquellas estaciones
que poseen página web.
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En el caso de las estaciones que se han estudiado, sólo CLH tiene página
web, por lo que no se tiene información acerca de la calidad de los datos de las
estaciones BIL y E13.
La dirección de esta página es:
http://cove.larc.nasa.gov/
En esta página web se encuentran, entre otras cosas, los controles de
calidad que han pasado todos los datos que registra la estación CLH. Estos
controles son gráficos, es decir, se representan los valores de radiación directa,
global y difusa y se comprueba que se cumplan las relaciones físicas que existen
entre ellas.
Figura 4.4.1. Ejemplo de una de las partes expuestas sobre el control de calidad.
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Respecto a la instrumentación utilizada, los modelos de piranómetros y
pirheliómetros de las estaciones de medida que forman parte de este estudio son
los siguientes:
Medida Instrumento Unidades
Radiación Onda Corta (Global) Pyranometer, Eppley, PSP, SN 31636F3,
WRMC No. 27169 W/m2
Radiación Directa Pyrheliometer, Eppley, NIP, SN 29010E6,
WRMC No. 27554 W/m2
Radiación Difusa Pyranometer, Eppley, 8-48, SN 33256,
WRMC No. 27725 W/m2
Radiación Onda Larga Pyrgeometer, Eppley, PIR, SN 30357F3,
WRMC No. 27432 W/m2
Tabla 4.4.1. Instrumentación de la estación BIL (sólo medidas solares).
Medida Instrumento Unidades
Radiación Onda Corta (Global) Pyranometer, Eppley, PSP, SN 30791F3,
WRMC No. 27061 W/m2
Radiación Directa Pyrheliometer, Eppley, NIP, SN 34505E6,
WRMC No. 27624 W/m2
Radiación Difusa Pyranometer, Eppley, 8-48, SN 33785,
WRMC No. 27226 W/m2
Radiación Onda Larga Pyrgeometer, Eppley, PIR, SN 30828F3,
WRMC No. 27431 W/m2
Tabla 4.4.2. Instrumentación de la estación E13 (sólo medidas solares).
Medida Instrumento Unidades
Radiación Onda Corta (Global) Pyranometer, Kipp & Zonen, CM22, SN 000024,
WRMC No. 39034 W/m2
Radiación Directa Pyrheliometer, Kipp & Zonen, CH1, SN 960133,
WRMC No. 39017 W/m2
Radiación Difusa Pyranometer, Kipp & Zonen, CM31, SN 000025,
WRMC No. 39035 W/m2
Radiación Onda Larga Pyrgeometer, Eppley, PIR, SN 27174F3,
WRMC No. 39001 W/m2
Tabla 4.4.3. Instrumentación de la estación CLH (sólo medidas solares).
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