41

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

42

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

43

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.

44

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.

45

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.

46

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.

47

Figura 4.1.3. Estaciones de la BSRN en Estados Unidos.

Figura 4.1.4. Estaciones de la BSRN en Sudamérica.

48

Figura 4.1.5. Estaciones de la BSRN en África.

Figura 4.1.6. Estaciones de la BSRN en Australia.

49

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.

50

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.

51

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.

52

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.

53

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.

54

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).