TEMA 03: Precipitación (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Hidrología continental y marina
Profesor J.A.P.A.
Año del apunte 2017
Páginas 9
Fecha de subida 13/10/2017
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Hidrología continental y marina TEMA 3: PRECIPITACIÓN La precipitación es un componente del ciclo hidrológico, que se puede relacionar con una fase. Para una cuenca, la precipitación es la entrada más importante, y a partir de ella podemos hacer el juego de cálculo hidrológico que queramos.
TIPOS DE PRECIPITACIÓN Precipitación: cualquier producto de condensación de agua atmosférica que cae sobre la superficie terrestre.
Cuando hablamos de precipitación nos referimos a las distintas formas de caer el agua en los lugares de la Tierra. Pueden distinguirse varios tipos según su estado y tamaño: llovizna, lluvia, escarcha, nieve y granizo.
Las nubes tienen una cantidad de humedad que circula en forma de pequeños cuerpos (corpúsculos) que se van juntando, aumentando así su tamaño. De este modo, se van formando las gotas de agua que precipitaran cuando su tamaño sea elevado. Los mecanismos de aumento de tamaño son: PPROCESO DE COALESCENCIA DIRECTA: mecanismo que consiste en la unión de multitud de partículas de agua formando las gotas de lluvia.
PROCESO DE CONDENSACIÓN (paso de forma gaseosa a forma líquida) DEL VAPOR: las gotas aumentan de tamaño debido a la condensación del vapor producida sobre la superficie de las gotas que constituyen la nube.
También puede producirse cuando existen gotas a diferente temperatura.
POR SU FORMACIÓN La formación de las precipitaciones requiere la elevación de una masa de agua en la atmósfera de tal forma que se enfríe y parte de su humedad se condense. Por ello, las precipitaciones se pueden dividir en: Por las noches, las nubes no suben, y por la temperatura de la noche se deposita el rocío en los coches.
PRECIPITACIÓN CONVETIVA: elevación convectiva del aire debido al calentamiento de este por radiación solar. Se produce la condensación del vapor al alcanzar zonas más frías. Este tipo de precipitación suele ir acompañado por efectos de descarga eléctrica.
El calentamiento del verano consigue llevar a cabo una buena condensación, que conforme va aumentando de altura, se va enfriando.
Cuando llega a una temperatura suficiente para que las gotas de agua precipiten, se forman las gotas y llueve.
PRECIPITACIÓN OROGRÁFICA: elevación del aire producida por la existencia de una cadena montañosa. Los vientos procedentes del océano y cargados con aire húmedo se encuentran con una cadena montañosa que eleva a capas más frías el aire, condensándose el vapor y constituyendo nubes y, por tanto, posibles precipitaciones.
Cuando ha descargado toda la humedad y cruza al otro lado de la montaña, empieza a absorber humedad del otro lado, formando así una ladera seca.
PRECIPITACIÓN CICLÓNICA: elevación de masas de aire que se produce sobre una masa de aire frio por un pasaje frontal o superficie de contacto. Las masas más húmedas y cálidas se elevan hasta zonas frías, donde se condensan y originan las precipitaciones.
DESCRITOS POR SU FORMA DE PRECIPITAR Llovizna: lluvia muy débil en la que a menudo las gotas son muy finas e incluso pulverizadas en el aire. En una llovizna la pluviosidad o acumulación es casi inapreciable. Popularmente se le llama garúa, orvallo, sirimiri, pringas o calabobos.
Lluvia: termino genérico para referirse a la mayoría de precipitaciones acuosas. Puede tener cualquier intensidad, aunque lo más frecuente es que sea entre débil y moderada.
Chaparrón: es una lluvia de corta duración, generalmente de intensidad moderada o fuerte. Los chubascos pueden estar acompañados de viento.
Aguacero: es una lluvia torrencial, generalmente de corta duración. Sinónimo de chubasco o chaparrón.
Tormenta eléctrica: es una lluvia acompañada por actividad eléctrica y, habitualmente, por viento moderado o fuerte, e incluso con granizo. Las tormentas pueden tener intensidades desde muy débiles hasta torrenciales, e incluso a veces son prácticamente secas.
Tromba de agua: es un fenómeno meteorológico de pequeñas dimensiones, pero muy intenso, que mezcla viento y lluvia en forma de remolinos o vórtices.
CARACTERÍSTICAS DE LLUVIA (PRECIPITACIÓN) Son varias las principales propiedades de la lluvia que ayudan a comprender un régimen (forma de llover) sus dimensiones (cantidad de agua precipitada), su distribución en el tiempo (duración, frecuencia) y su distribución en el espacio (dimensiones geográficas de un suceso).
INTENSIDAD DE LA LLUVIA: cantidad de agua que cae por unidad de tiempo en un lugar determinado.
DURACIÓN DE LA LLUVIA: lapso de tiempo transcurrido desde el inicio y el fin de un evento de lluvia o tormenta. La duración es muy variable, oscilando entre unos pocos minutos a varios días.
LAS TANDAS: periodo de días consecutivos de lluvia.
ALTURA O PROFUNDIDAD: lámina de agua teórica que se levantaría con un suceso de precipitación, es decir, la altura que tendría en agua precipitada sobre un m2 de superficie horizontal impermeable, si la totalidad del agua precipitada no se escurriera. Esta dimensión es la que se mide en los pluviómetros. Generalmente se expresa en mm (1 mm = 1 L/m2).
FRECUENCIA: promedio de tiempo que transcurre entre los acaecimientos de dos eventos de tormenta de la misma característica. Para estas determinaciones se toman en cuenta la duración o la altura, y eventualmente, ambas. La frecuencia puede entenderse como un periodo de retorno.
DISTRIBUCIÓN TEMPORAL: forma de precipitar a lo largo del tiempo puede hacer referencia a la distribución de un suceso de precipitación o al régimen de precipitaciones mensuales a lo largo de unos años o una serie temporal más larga.
La distribución temporal de una tormenta juega un papel importante en la respuesta hidrológica de cuencas en términos de desarrollo de hietograma.
DISTRIBUCIÓN ESPACIAL: dependiendo de las características de las células de precipitación, la extensión superficial de la lluvia variara considerablemente.
Las tormentas que cubren áreas grandes tienden a tener formas elípticas, con un ojo de alta intensidad ubicada en el medio de la elipse, rodeado por lluvias de intensidades y alturas decrecientes. El ojo de la tormenta tiende a moverse en dirección paralela a los vientos prevalentes en el período en que se da el evento.
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN Y CONSIDERACIONES GENERALES RESPECTO A LAS REDES METEOROLÓGICAS SU MEDICIÓN: la lluvia se mide por la altura que alcanzaría el agua sobre una superficie plana y horizontal ideal, antes de sufrir pérdidas.
Los pluviómetros, miden la cantidad de lluvia (en L/m2 o mm) recibida en el intervalo de tiempo (generalmente un día), comprendido entre dos lecturas consecutivas.
El instrumento de medición directa es el pluviómetro (es un colector que recibe el agua de lluvia). Deben cumplirse ciertas condiciones de localización para no distorsionar los registros.
PLUVIÓMETROS NO REGISTRADORES: los más utilizados. Miden la cantidad de agua en periodos cortos (1 día).
Consisten en un recipiente en el que se acumula la lluvia que cae a través de un embudo, cuyo objetivo es disminuir la evaporación.
Para garantizar su mejor uso la boca de recepción debe estar horizontal, hay que tener presente que la precipitación puede disminuir con la altura, ya que aumenta la velocidad del viento, y que la acción del viento es la principal causa de error en la medida de las precipitaciones por los torbellinos que se pueden formar en las cercanías del aparato.
PLUVIÓMETROS TOTALIZADORES: usualmente son no registradores se utilizan en zonas de difícil acceso. Las lecturas se hacen como mucho anualmente, por lo que deben tener mayor capacidad.
PLUVIOMETROS REGISTRADORES: aparatos que proporcionan la variación de la altura de precipitación en continuo con respecto al tiempo. La información detallada permite analizar de manera más exhaustiva y a intervalos temporales de detalle.
Mecánicos: grafican en una lámina de papel.
Digitales: acumulan digitalmente los registros.
CONSIDERACIONES GENERALES RESPECTO A LAS REDES METEOROLÓGICAS Las estaciones meteorológicas albergan un conjunto de instrumentos destinados a medir y registrar regularmente diversas variables meteorológicas como la temperatura del aire, la presión atmosférica, las precipitaciones, la humedad relativa del aire o la velocidad y dirección del viento, entre otras, para diferentes usos entre los que destacan la elaboración de predicciones meteorológicas y el estudio del clima.
Todas las redes se basan en un número de observatorios de recogida de datos puntuales distribuido por todo el territorio con densidad variable.
POR SU FORMA DE RECOGIDA DE DATOS Manual: requiere la consulta in situ de la información registrada por su instrumental (bajo coste de infraestructura).
Automática: generan información en gran cantidad y calidad. Inmediatez de consulta (elevado coste de la infraestructura y dispositivos).
POR SU INFORMACIÓN RECOGIDA (CASO AEMet) Red de Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA): ofrecen datos de viento, humedad, temperatura, precipitación y presión atmosférica.
Red de Estaciones Principales: combinan sistemas manuales y automáticos. Registran variables como precipitación, temperatura y humedad del aire, temperatura del suelo, radiación solar, insolación y evaporación.
Red de Estaciones Secundarias: miden temperatura del aire y / o precipitación.
DISEÑO DE RED Una red meteorológica es un sistema organizado para la recolección de datos climáticos, incluyendo también el conjunto de las actividades relativas a la recolección de esos datos.
Su diseño está pensado para lograr un objetivo único o un conjunto de objetivos compatibles. Un diseño de red debería estar basado en una máxima económica de los datos que serán recogidos.
Previo a la instalación de una red se debe establecer una serie de consideraciones de diseño (fases): 1. Estudios previos sobre las características del área donde se organizaría la red meteorológica (tamaño área, si se trata de una unidad administrativa o una ambiental, características físicas, accesibilidad y seguridad de los instrumentos).
2. Planificación práctica − − − − Identificación y conocimiento de las posibles estaciones existentes Localización de las estaciones en mapas Análisis de la distribución de las estaciones, relacionado con las características de la zona y necesidades de obtención de información Selección de los nuevos lugares para obtener la información deseada 3. Diseño detallado de las instalaciones de medidores de los sitios. Su complejidad varía dependiendo de: − − − Tipo de variable meteorológica Características de los instrumentos de medición Presupuesto final (factor determinante a tener muy en cuenta) La densidad de la res dependerá de los objetivos propuestos y del tamaño y características del área donde se instale la red.
LA REDISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN INTERCEPTACIÓN: agua proveniente de la lluvia retenida por la vegetación y por la hojarasca que está sobre el suelo y que luego es evaporada.
PRECIPITACIÓN INCIDENTE: la precipitación que llega a la parte superior de la vegetación.
PRECIPITACIÓN NETA: precipitación que llega al suelo por goteo directo, goteo desde el dosel vegetal y escorrentía por los tallos.
Incidencia en el ciclo hidrológico: 1. Atenuación del agua incidente: influye en la infiltración 2. Interviene en el potencial de agua que llega y es almacenada en el suelo y en su distribución espacial 3. Evapotranspiración COMPONENTES PRINCIPALES DE LA INTERCEPTACIÓN 1. PÉRDIDA DE LA INTERCEPTACIÓN Se considera como agua que se retiene por las superficies de la vegetación que más tarde se evapora a la atmósfera, o es absorbida por la planta. La pérdida de interceptación evita que el agua llegue a la superficie del suelo.
2. TRANSLOCACIÓN El agua que cae a través de los espacios de la cubierta vegetal o que gotea de las hojas, ramas y tallos y cae al suelo. Mientras está lloviendo y por lo tanto incorporando agua al medio, también se está llevando a cabo la evaporación del agua que ya permanece en el medio.
Translocación: gotas que se van acumulando en las hojas de la vegetación y que van cayendo poco a poco.
3. ESCORRENTÍA CORTICAL El agua que se escurre a lo largo de los tallos y ramas y circula por el tallo o tronco hasta la superficie del terreno.
Normalmente se termina depositando en la base de las plantas.
Un ejemplo es el palmito, este tipo de vegetación presenta un tipo de hoja que crea un tanque de vacío, permitiéndole sobrevivir durante meses sin precipitación.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INTERCEPTACIÓN 1. ALMACENAMIENTO DE LA VEGETACIÓN La capacidad de las superficies de vegetación para recoger y retener la precipitación. La capacidad será más alta en el inicio de la precipitación cuando la vegetación está seca.
2. LA EVAPORACIÓN 3. DURACIÓN DE LAS PRECIPITACIONES Se da una relación entre la capacidad máxima de almacenamiento de la vegetación y la tasa de pérdida de agua por evaporación a lo largo del tiempo. Las pérdidas totales por interceptación aumentan con la duración Precipitación (%) El agua almacenada en la superficie de las plantas (hojas, troncos) se puede perder por evaporación. La capacidad evaporante aumenta en condiciones de viento, aunque la capacidad de almacenamiento por interceptación se puede reducir con un aumento de la velocidad del viento.
Duración lluvia (hores) de las precipitaciones (pero sólo gradualmente), aunque la importancia relativa de la interceptación disminuye con el tiempo.
En resumen: La importancia de la interceptación disminuye con el tiempo, debido a la duración de las precipitaciones y los cambios en la capacidad de almacenamiento de la vegetación.
4. FRECUENCIA DE LA PRECIPITACIÓN Los más altos niveles de pérdida de interceptación se producen cuando las hojas presentan su mayor capacidad de almacenamiento en seco. La interceptación es alta, por lo que la frecuencia de re-humectación es más importante que la duración y la cantidad de lluvia.
5. TIPO DE PRECIPITACIÓN Por ejemplo, el contraste entre lluvia y nieve.
6. TIPO Y MORFOLOGÍA DE LA CUBIERTA VEGETAL Los distintos tipos de vegetación tienen: − − − Diferentes capacidades de almacenamiento.
Diferentes características de rugosidad aerodinámicas.
Diferentes tasas de evaporación de sus superficies.
Las pérdidas de interceptación son generalmente mayores en los árboles que en otros tipos de vegetación (pastos y cultivos agrícolas), por la mayor rugosidad aerodinámica de los árboles que producen un aumento de la evaporación o por sus capacidades de interceptación más altas, especialmente cuando se humedece y se seca con frecuencia.
EL ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN 1. VALORES SINTÉTICOS Y GRÁFICOS DE LAS SERIES PLUVIOMÉTRICAS Módulo pluviométrico anual medio: es la media aritmética de la lluvia anual durante una serie de años. La lluvia total de un año, dividida por el módulo pluviométrico anual medio, es el índice de humedad y permite clasificar los años en húmedos, medios o secos. Cuando disponemos de series cortas (menores de 30 años), el modulo pluviométrico anual medio no es muy representativo.
Lluvia Media Mensual: es la media de las precipitaciones en un cierto mes, durante una serie de años. La suma de las lluvias medias mensuales de todos los meses del año, será igual al módulo pluviométrico anual medio.
Hietograma: es la figura que representa la cantidad de lluvia recogida en intervalos regulares de tiempo.
2. DATOS FALTANTES Y SU TRATAMIENTO ESTADÍSTICO Debemos de tener en cuenta una serie de factores a la hora de obtener una serie de datos que no tenemos.
Si se utilizan diferentes estaciones de toma de datos, es probable que una de ellas no presente la serie entera.
La metodología estadística del análisis de correlación implica la determinación de una serie de elementos a destacar: Ecuación de la regresión: relaciona la variable independiente con la dependiente. La correlación es de un tipo u otro cuando ambas variables se mueven dentro de sus ejes en la misma dirección (figura 2a). Por el contrario, es negativa cuando se mueven en sentido opuesto (figura 2b).
En el caso de correlación lineal entre dos variables (una independiente y otra dependiente) la ecuación de la regresión se ajusta la formulación (figuras 2a, 2b y 2c).
Coeficiente de correlación (r): establece el grado de la variable dependiente que se explicada por la ecuación de la regresión.
Coeficiente de determinación (r2): cuadrado del coeficiente de correlación. Los valores de r2 oscilan entre 0, ninguna correlación, y 1, máximo grado de ajuste entre las variables.
Figura 1 Figura 2 Regresión lineal: método ampliamente utilizado para completar vacíos de datos en series temporales, sobre todo para la estimación de registros mensuales y anuales pues, al presentar una mayor homogeneización de la información, su correlación puede ser más fuerte que cuando se aplica a datos con mayor definición temporal como los diarios y horarios.
Su principio se basa en la asunción de la existencia de similitud entre los registros de estaciones cercanas, pudiéndose establecer una buena correlación entre la de control (con series completas) y las mediciones de la estación con datos faltantes. Si bien se recomienda la utilización de más de una estación de control, en la práctica es difícil encontrar en las redes de medición una densidad de estaciones con un numero de ellas que estén lo suficientemente próximas a la que presenta las anomalías, por lo que normalmente se recurre a solo una.
La estación de referencia debe tener una serie lo suficientemente larga y consistente que permita la comparación con la estación dependiente. El procedimiento consiste en hacer el ajuste de correlación en la parte suficientemente larga en que las dos presentan datos comunes donde se procede de manera secuencial: − − − − Identificar los registros sin datos de la serie incompleta Establecer la función de regresión lineal entre los registros comunes de datos de ambas series Determinar la fuerza de la correlación por medio del coeficiente de correlación (r) o el coeficiente de determinación (r2) Calcular los vacíos de datos de la serie incompleta aplicando la función de regresión 3. TRATAMIENTO ESPACIAL DE LOS VALORES PUNTUALES DE LOS OBSERVATORIOS Para el cálculo de volúmenes de agua caídos sobre una unidad hidrológica (cuenca de drenaje) y partiendo de unos cuantos puntos de observación, hay que considerar aplicable a métodos que integren las medidas de esos observatorios de manera que la cantidad de lluvia sea más representativa.
Para ello varios métodos, siendo los más comunes: − − − Medida Aritmética Polígonos de Thiessen Curvas Isoyetas Media Aritmética: consiste en tomar como lluvia media de la zona, la media aritmética de las medidas obtenidas en los pluviómetros situados en ella durante un periodo fijo de tiempo.
Polígonos de Thiessen: asigna a cada punto de la cuenca la precipitación registrada en el pluviómetro más cercano, y se unen mediante líneas las estaciones más cercanas, resultando una serie de triángulos. A continuación, se dibujan las mediatrices de cada triangulo.
La intersección de las mediatrices define un conjunto de polígonos a los que se les asigna el valor de la precipitación correspondiente a la estación que está en su interior.
En los polígonos limítrofes se considera solamente el área interior a la zona, pero para su dibujo puede tenerse en cuenta pluviómetros exteriores. Se mide el área de cada polígono y se realiza la operación.
Curvas Isoyetas: método que consiste en interpolar líneas de igual precipitación (isoyetas) de acuerdo con los valores de lluvia obtenidos en los pluviómetros, pero teniendo en cuenta la influencia de ciertos factores condicionantes como la altitud y la orientación frente a vientos húmedos.
Una vez trazadas las isoyetas hay que medir el área comprendida entre dos de ellas (usando un planímetro o aplicando una cuadricula de dimensiones conocidas), y el valor así obtenido se multiplica por el valor medio de las dos isoyetas.
4. ÍNDICES PLUVIOMÉTRICOS Índice de concentración de las precipitaciones (agresividad de la lluvia): para estimar la agresividad de las lluvias a partir de la variabilidad temporal de las precipitaciones mensuales.
PCI = 100 * Σp2 / P2 PCI: Índice de Concentración de la Precipitación p: precipitación mensual (valores acumulados mensual o medias mensuales de la serie) P: precipitación anual (valores acumulados anuales o media anual de la serie) Coeficiente de escorrentía: proporción de precipitación que pasará a formar parte de la Escorrentía Superficial (lluvia neta) con respecto a la precipitación total. Formas de calcularlo: A) Por medio de tablas (basado en experimentaciones en parcelas). El coeficiente se determina en función de las características de la cuenca.
− Método directo: se aplica cuando no se dispone de datos suficientes para determinar la lluvia neta.
B) Fórmula de Nadal C) Método del Soil Conervation Service P0 = (25400/CN)-254 P0= Umbral de escorrentía CN =Número de curva Umbral de escorrentía: mínima cantidad de agua que tiene que llover para almacenarse en el suelo en c y que se produzca Escorrentía Superficial ...

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