MetodologiaBalanceHidricoINUMET

Javier Barrios Amorn 1488

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MCH2

Metodologa de Clculo del Balance Hdrico para el Territorio Nacional

Versin Fecha Descripcin Autor Contacto

1.0 23/03/ 2014 Versin inicial Ing. Pablo Alfaro [email protected]

1.1 10/07/2014 Revisiones de redaccin y formato Ing. Pablo Alfaro [email protected]




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Tabla de contenido 1. Introduccin 3

2. Agradecimientos 3

3. Consideraciones generales 4

4. Algoritmo general 4

5. Paso 0 - Inicializacin de la Capacidad de Almacenamiento de los Suelos y Agua Disponible en el Suelo 5

6. Paso 1 - Obtencin de los datos de entrada del Balance Hdrico 6

6.1. Capacidad de Almacenamiento de los Suelos y Agua disponible 6

6.2. Variables meteorolgicas 6

6.3. Precipitacin efectiva 7

7. Paso 2 - Agregacin temporal decenal 7

7.1. Compensacin espacial de datos faltantes 7

8. Paso 3 - Clculo de la Evapotranspiracin Potencial 8

9. Paso 4 - Espacializacin de la Precipitacin y la Evapotranspiracin Potencial 8

9.1. Eliminacin de sesgo 9

9.2. Estimacin de ocurrencia/no ocurrencia de precipitacin 9

10. Paso 5 - Clculo del Balance Hdrico 10

11. Caractersticas de la solucin implementada 10

11.1. Resolucin espacial 10

11.2. Automatizacin del sistema 11

11.3. Aspectos informticos de la solucin 12

12. Trabajos a futuro 12

12.1. Trabajo directo con mediciones de radiacin solar 12

12.2. Kriging Universal para la interpolacin de la evapotranspiracin potencial 12

12.3. Ajuste del umbral de ocurrencia/no ocurrencia de precipitacin en base a los datos observados 12

12.4. Incorporacin de datos de modelado numrico del tiempo/estimaciones satelitales 12

12.5. Agregacin espacial de las variables de salida 12

12.6. Corridas retrospectivas con informacin proveniente de climatologas 13

13. Referencias bibliogrficas 13




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1. Introduccin

El presente documento brinda informacin respecto a la metodologa del clculo del balance hdrico para el territorio nacional

implementado por el INUMET. Dicho producto tiene por objetivo cuantificar diversos componentes del ciclo del agua en el

suelo, estableciendo relaciones en el corto y mediano plazo entre las distintas variables hidrolgicas y brindando informacin

adicional de apoyo en la toma de decisiones.

El documento se estructura de la siguiente manera: la seccin 1 consiste de esta introduccin, la seccin 2 brinda el

agradecimiento a los diversos actores que hicieron posible la generacin de este producto, la seccin 3 menciona

consideraciones generales, transversales a toda la metodologa, la seccin 4 muestra una visin general y esquemtica del

procedimiento de clculo del balance, las secciones 5, 6, 7, 8, 9 y 10 detallan con mayor profundidad los pasos presentados en

la seccin 4, la seccin 11 explica y justifica algunas caractersticas de la solucin obtenida, la seccin 12 informa algunas

mejoras que podran realizarse con un trabajo adicional a la metodologa de clculo y la seccin 13 expone las referencias

bibliogrficas consultadas durante el desarrollo del mismo.

2. Agradecimientos

INUMET agradece especialmente:

A los Ing. Agr. Rodolfo Pedocchi, Juan Pablo Chiara y Carolina Munka de Facultad de Agronoma, Universidad de la Repblica: por sus invaluables aportes y su asesoramiento respecto a la metodologa de clculo, la presentacin e

interpretacin de las variables que componen el balance hdrico

A INIAGRAS: por la documentacin del balance hdrico y parametrizacin del mismo adaptada a Uruguay puesta a disposicin en: http://www.inia.org.uy/online/site/147668I1.php

A MGAPRENARE: por proveer la capa de informacin de capacidad de almacenamiento de los suelos

Sin su activa participacin en el desarrollo, este producto no sera lo que es hoy.




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3. Consideraciones generales

El Balance Hdrico calculado por el Instituto Uruguayo de Meteorologa, INUMET, fue desarrollado como una extensin de

clculo sobre las funcionalidades provistas por la Base Nacional de Datos Meteorolgicos, MCH2.

El mismo se brinda con una resolucin temporal decenal (decenas de 8, 10 u 11 das) con las dcadas comenzando los das

1ero, 11 y 21 de cada mes y finalizando el da anterior al comienzo de la prxima dcada. Los valores se publican en forma

automtica cada comienzo de decena y se encuentran disponibles en la web aproximadamente a las 19 en hora local de

Uruguay. El balance se vuelve a calcular y publicar el mismo da a las 23 horas, para contar con redundancia en el proceso. En

cada decena se publican los valores de la decena actual y de las 2 decenas anteriores, ya que existen controles de calidad

supervisados que se realizan en tiempo diferido y pueden modificar los valores de las entradas del balance. Los valores de

hasta un mes hacia atrs deben interpretarse en forma tentativa y estn sujetos a este tipo de cambios.

La resolucin espacial es de pxeles de aproximadamente 1km x 1km, de manera de poder aprovechar la riqueza de la capa de

almacenamiento de los suelos disponibles. Si bien sta resolucin es alta, los valores de las variables producto del balance solo

son representativos a gran escala y no deben ser interpretados pixel por pixel, sino ms bien como un indicador general de la

regin. Esto se debe a que los procesos de interpolacin utilizados en el clculo, en particular los de la precipitacin, solo

permiten obtener valores representativos si se calculan para grandes reas. La seccin 11 presenta una explicacin del porqu

utilizar pxeles de 1km x 1km junto con los pros y contras que ello acarrea.

Los mapas producidos se presentan utilizando una escala fija, que no vara en el tiempo y permite visualizar la evolucin

temporal de las variables, y una escala ajustada al mnimo y mximo valor obtenido para cada decena en particular,

permitiendo visualizar la variacin espacial en la decena en cuestin.

Como sistema de coordenadas de referencia, se utiliz UTM para la zona 21 Sur. Dicha proyeccin permite obtener una

representacin plana de la zona del mundo que comprende a Uruguay donde la distorsin mxima de las distancias es un poco

mayor al 0.1%. Est consideracin cobra mayor importancia debido al uso de mtodos de interpolacin como Kriging o

Ponderacin por Inverso de la Distancia en donde la precisin en el clculo de las distancias afecta fuertemente los resultados.

Puede encontrar ms informacin respecto a la proyeccin en el siguiente enlace:

http://www.spatialreference.org/ref/epsg/32721/.

La evapotranspiracin potencial se calcula mediante el mtodo de Penman-Monteith de acuerdo a las recomendaciones en

FAO Riego y Drenaje N 56 (Allen et al, 2006) y utilizando una parametrizacin para el clculo de la radiacin solar terrestre

adaptada para Uruguay provista por Instituto Nacional de Investigacin Agropecuaria, Grupo Agroclima y Sistemas de

Informacin, INIA-GRAS.

Los datos meteorolgicos utilizados para el clculo de la evapotranspiracin potencial provienen de un subconjunto filtrado

dinmicamente de la red de 22 estaciones meteorolgicas del INUMET, requirindose al menos las observaciones de 5

estaciones en una decena para poder realizar los clculos. Asimismo la precipitacin utilizada proviene de un subconjunto

filtrado dinmicamente de las aproximadamente 300 estaciones pluviomtricas de la red del INUMET. De este conjunto, luego

de aplicados los filtros, se dispone en promedio de 193 pluvimetros.

El mtodo de clculo del Balance Hdrico es el propuesto por Thornthwaite y Mather (Thornthwaite y Mather, 1955).

4. Algoritmo general

El siguiente esquema muestra una visin general de los pasos realizados en el clculo del Balance Hdrico:

0. Inicializacin de capacidad de almacenamiento de los suelos y agua disponible en el suelo (nica vez) 1. Obtencin de datos de entrada

a. Capacidad de almacenamiento de agua de los suelos y agua disponible b. Variables meteorolgicas

i. Agregacin temporal diaria para variables de observacin horaria. Criterios dinmicos de aceptacin de series agregadas.

ii. Compensacin (opcional) de datos faltantes mediante regresin lineal 2. Agregacin temporal decenal

a. Promedios o acumulados temporales. Nuevos criterios dinmicos de aceptacin de series. b. Compensacin espacial (opcional) de datos agregados faltantes mediante Kriging Ordinario

3. Clculo de precipitacin efectiva y evapotranspiracin potencial en los puntos de observacin disponibles 4. Espacializacin de la precipitacin y evapotranspiracin potencial a todos los puntos de la grilla en la regin de inters




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5. Clculo del Balance Hdrico en cada punto de grilla de la regin de inters

Las secciones siguientes brindan una descripcin en mayor profundidad de cada paso.

5. Paso 0 - Inicializacin de la Capacidad de Almacenamiento de los Suelos y Agua Disponible en el Suelo

Como capa de capacidad de almacenamiento de los suelos se utiliz el mapa provisto por RENARE en su seccin de cartas

temticas (http://www.cebra.com.uy/renare/mapa/cartas-tematicas/) bajo el ttulo de Estimacin de Agua Disponible en los Grupos Coneat (Molfino, 2009). Dicha capa se brinda en un archivo vectorial de polgonos con una altsima resolucin espacial.

Para poder utilizar la informacin contenida en la capa se debe realizar una rasterizacin de la misma que permita convertir los

valores asociados a los polgonos en valores sobre puntos de una grilla. Sin embargo, debido a la alta resolucin de la capa, un

muestreo simple en los centroides de los pixeles resultara insuficiente, ya que dentro de un mismo pixel se podran estar dando

valores distintos de capacidad de almacenamiento. Para mitigar este problema se utiliz una tcnica de anti-aliasing que divide

cada pixel en varios sub-pxeles, tomando varias muestras y promediando para obtener un valor ms representativo para el

pixel.

Las figura 1 muestra los valores de capacidad de almacenamiento contenidos en el archivo original vectorial de RENARE y los

valores contenidos en el archivo rasterizado por INUMET respectivamente.

Figura 1: Capacidad de Almacenamiento de Agua de los Suelos en Formato Vectorial (izquierda) y en formato Raster

(derecha)

Una vez inicializada la capacidad de almacenamiento de agua de los suelos se selecciona un perodo habitualmente hmedo y

fro y se inicializa el agua disponible en los suelos con el valor de la capacidad de almacenamiento. Para la versin operativa

del producto se inicializ el agua disponible para la decena del 21/07/2011, resultando el primer balance calculado el de la

decena del 01/08/2011.




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6. Paso 1 - Obtencin de los datos de entrada del Balance Hdrico

6.1. Capacidad de Almacenamiento de los Suelos y Agua disponible

Se obtienen de la base de datos MCH2 los valores en puntos de grilla de la capacidad de almacenamiento de los suelos y de

agua disponible en el suelo resultado del clculo del balance anterior. En caso de que el ltimo valor de agua disponible no

corresponda a la decena directamente anterior a la que se va a calcular, se calculan todos los balances previos y se reintenta.

6.2. Variables meteorolgicas

La versin del clculo implementada en INUMET utiliza las siguientes variables de observacin directa1:

Para el Clculo de la evapotranspiracin potencial o Temperatura del Aire Mnima Diaria [C] o Temperatura del Aire Mxima Diaria [C] o Temperatura de Bulbo Hmedo [C] o Temperatura de Punto de Roco [C] o Humedad Relativa [%] o Recorrido del Viento [km/da] o Heliofania [horas/da]

Para el clculo de la precipitacin efectiva o Precipitacin acumulada diaria [mm/da]

Las temperaturas mnima y mxima del aire se observan diariamente a las 9 y a las 21 hora local y su valor corresponde a las

temperaturas mnima y mxima observadas en las 12 horas previas al momento de la observacin.

Las temperaturas de bulbo hmedo y punto de roco y la humedad relativa son registradas en forma horaria y el recorrido del

viento, la heliofania y la precipitacin acumulada en forma diaria.

Para uniformizar estos perodos de observacin se obtienen series diarias, realizando agregaciones temporales de las variables

con perodo de registro menor a un da, y exigiendo ciertos criterios mnimos de completitud de las series horarias para

garantizar la calidad del dato diario obtenido.

Para la temperatura mnima se exige contar con la observacin de las 9 horas

Para la temperatura mxima se exige contar con la observacin de las 21 horas

Para las variables horarias se exige contar con 80% de las horas del da observadas y con un hueco mximo entre observaciones de 2 horas

Si para un da en particular, alguno de los criterios exigidos no se cumple, se intenta estimar el dato diario faltante por medio

de una regresin lineal (y= + ), usando como regresor una estimacin auxiliar de la variable en cuestin y exigiendo sobre los regresores criterios de completitud similares a los originales (con la adicin de contar con las observaciones de las

horas donde histricamente se dieron con mayor frecuencia los valores extremos).

Segn la variable cuyo dato faltante se vaya estimar, los regresores utilizados son:

Temperatura del aire mnima

o Temperatura horaria mnima del da registrada por el termmetro

o Temperatura horaria mnima del da registrada por el termgrafo

Temperatura del aire mxima

o Temperatura horaria mxima del da registrada por el termmetro

1 Las temperaturas del bulbo hmedo y de punto de roco y la humedad relativa brindan esencialmente la misma informacin y

son utilizadas para el clculo de la presin de vapor efectiva, pero se prefieren en el orden antemencionado de acuerdo a su

menor variabilidad espacial y su mayor facilidad para la interpolacin.




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o Temperatura horaria mxima del da registrada por el termgrafo

Humedad relativa (calculada mediante par psicromtrico)

o Humedad relativa media diaria registrada por higrgrafo

Si no se cumple el criterio de completitud para la serie original ni para ninguno de los regresores, se deja faltante el dato diario.

Estas compensaciones, de uso opcional, permiten preservar la serie temporal del balance ante la eventual falta de unos pocos

valores diarios. La versin operativa del balance hdrico hace uso de estas compensaciones.

6.3. Precipitacin efectiva

Una metodologa disponible para estimar la escorrenta superficial debido a la anegacin del suelo por la precipitacin ocurrida

es el ndice de precipitacin antecedente de Shaw (Shaw, 1936). Dicha metodologa estima la escorrenta superficial de

acuerdo a un ndice construido a partir de los valores de precipitacin de los ltimos 6 das de acuerdo a la siguiente ecuacin:

=

{

02+

6

=1 0 25.4

6

=1

Donde es la precipitacin ocurrida das antes del da para el cual se est calculando el ndice.

El valor de es usado como entrada de la funcin ajustada empricamente por Shaw para obtener la escorrenta superficial y finalmente, la precipitacin efectiva diaria se obtiene restando a la precipitacin observada el valor estimado de escorrenta

superficial.

Este mtodo ha sido implementado en la versin del balance del INUMET pero debido a que el ndice de Shaw fue ajustado

para la regin de Iowa y no ha sido validado para Uruguay y a que el mtodo de Thornthwaite, originalmente desarrollado para

paso mensual, parte de los supuestos de que toda la precipitacin es efectiva y est disponible en primer trmino para ser

utilizada en el proceso de evapotranspiracin, y que los excesos no afectan el perodo siguiente, se decidi no utilizar el

mtodo de precipitacin antecedente en la versin operativa entretanto no se realice la mencionada validacin.

Por lo tanto a efectos de este balance hdrico la precipitacin efectiva es igual al total de la precipitacin observada.

7. Paso 2 - Agregacin temporal decenal

Desde el aspecto del software, el mtodo implementado en el INUMET tiene la capacidad calcular el balance para una

duracin del paso de tiempo arbitraria, sin embargo la metodologa utilizada resulta adecuada para pasos de tiempo decenales o

mayores. La versin operativa del balance utiliza pasos decenales, por lo que es necesario realizar una agregacin temporal de

los valores diarios a valores decenales.

Para todas las variables meteorolgicas exceptuando la precipitacin, se exige contar con un 80% de los datos diarios del

perodo a calcular y con un hueco mximo en la serie diaria de 2 das (para los pasos de tiempo mayores a decenales), a su vez,

los valores diarios faltantes, en caso de haberlos y si se cumple el criterio de completitud, se estiman mediante interpolacin

lineal (no se hace extrapolacin, si los faltantes son en los extremos de la serie se dejan faltantes).

Para la precipitacin se exige contar con el 100% de los datos diarios, de manera de evitar subestimar la precipitacin ocurrida

en caso de que el dato faltante sea positivo.

7.1. Compensacin espacial de datos faltantes

Una vez realizada la agregacin temporal al perodo de clculo, puede suceder que se tengan datos decenales faltantes de

algunas (pero no todas) de las variables requeridas para el clculo de la ETP, por ejemplo en los termopluviografos digitales

que solo cuentan con registros de temperatura y precipitacin, o en estaciones meteorolgicas convencionales donde un

instrumento en particular se encuentra en mantenimiento.




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Para las variables en las que FAO recomienda estimar el dato faltante con el valor de una estacin cercana, se utiliz en vez de

dicho valor, una interpolacin de los datos disponibles mediante Kriging Ordinario. Esta interpolacin se realiza en forma

puntual (no en puntos de grilla) y solamente para las ubicaciones de aquellas estaciones meteorolgicas que no cuenten con el

dato, logrndose de esta manera aprovechar la informacin meteorolgica con la que si se cuenta. Adems se realiza sobre los

valores agregados temporalmente, de manera de normalizar las observaciones en la medida de lo posible y hacerlas ms adecuadas para la interpolacin.

Las variables Temperatura del Aire Mnima y Temperatura del Aire Mxima se encuentran listadas en FAO Riego y Drenaje

N 56 (Allen et al, 2006) como requisito mnimo de informacin disponible para el clculo de la Evapotranspiracin Potencial,

por lo tanto, estas variables no participan de la compensacin espacial de informacin faltante y tanto la interpolacin espacial

de las dems variables meteorolgicas, como la Evapotranspiracin Potencial son calculadas nicamente en aquellas estaciones

que dispongan de una medida de observacin directa de los valores de estas variables.

8. Paso 3 - Clculo de la Evapotranspiracin Potencial

La evapotranspiracin potencial se estima para un cultivo de referencia con una altura asumida de 0.12 m, una resistencia

superficial de 70 s/m, y un albedo de 0.23, asemejndose en trminos de evapotranspiracin a una superficie de pastura verde

de altura uniforme, creciendo y recibiendo una cantidad adecuada de agua. La metodologa corresponde a la publicada por

FAO en su estudio: FAO Riego y Drenaje N 56 (Allen et al, 2006). La ecuacin utilizada para el clculo es la propuesta por

Penman y Monteith:

=0,408( ) +

900 + 2732( )

+ (1 + 0,342)

Dnde:

evapotranspiracin potencial para el cultivo de referencia [/] radiacin solar neta en la superficie del cultivo [

2 ] densidad de flujo de calor del suelo [ 2 ] temperatura media del aire a 2m de altura [] 2 velocidad media del viento a 2m de altura [ ] presin de vapor de saturacin [] presin de vapor efectiva [] pendiente de la curva de presin de vapor [ ] constante psicromtrica [ ]

Esta ecuacin, as como las utilizadas para estimar sus parmetros de acuerdo a las observaciones meteorolgicas disponibles,

se encuentran publicadas en el sitio web de FAO en: http://www.fao.org/docrep/009/x0490s/x0490s00.htm.

La publicacin cuenta con ejemplos numricos con los cuales se verificaron satisfactoriamente todas las ecuaciones

implementadas en el software.

9. Paso 4 - Espacializacin de la Precipitacin y la Evapotranspiracin Potencial

Una vez obtenidas la precipitacin y la evapotranspiracin potencial de la decena, las mismas son interpoladas, mediante

Kriging Ordinario Anisotrpico, a la misma grilla que la utilizada para representar la capacidad de almacenamiento de los

suelos.

Para el caso de la precipitacin se aplican adems dos tcnicas avanzadas, diseadas especficamente para esta variable, que

permiten modelar mejor su distribucin espacial.




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9.1. Eliminacin de sesgo

La primera tcnica, apunta a representar correctamente los valores extremos observados. El mtodo de Kriging tiene

dificultades para el trabajo con distribuciones de valores extremos, como lo es la precipitacin decenal (aunque en menor

medida que la precipitacin diaria), esta tcnica apunta a mitigar esos problemas.

Siguiendo un esquema similar al utilizado por Kriging Universal, la variable que se quiere modelar es:

(, ) = (, ) + (, )

Dnde:

(, ) es el valor de la variable en la ubicacin (, )

(, ) es el valor estimado mediante Kriging Ordinario de la variable en el punto (, )

(, ) es un trmino de error con media cero y desviacin estndar constante

En los puntos donde (, ) es grande (mayor a 15% del valor observado) se aplica una correccin tomando:

(, ) = (, ) (, ) + (, )

Donde (, ) son las ubicaciones de las observaciones, es una estimacin del trmino de error original y es un nuevo

trmino de error. Se interpola la nueva variable para todo (, ) utilizando un interpolador ponderado por el inverso de la distancia al cubo y se suma el nuevo campo interpolado de al valor de , obteniendos:

(, ) = ((, ) + (, )) + (, )

En las ubicaciones donde Kriging haya estimado correctamente los valores observados, , la estimacin del error original respecto a la interpolacin mediante Kriging Ordinario, ser cercano a 0, mientras que en las ubicaciones donde no se haya

alcanzado el valor observado, tpicamente en los mximos, ser mayor y por lo tanto el trmino de correccin ser significativo.

De esta manera se genera un campo base estimado mediante Kriging Ordinario que incorpora el modelado de la anisotropa, un

fenmeno que ocurre en la absoluta mayora de los campos de variables meteorolgicas, y un campo de correccin que permite

alcanzar los valores extremos observados que de otra forma no seran alcanzados. En la interpolacin del trmino de error, la

distancia se potencia al cubo para que el efecto de la correccin sea local y el valor interpolado de (, ) tienda a la media del error (0) rpidamente al alejarse de las observaciones.

9.2. Estimacin de ocurrencia/no ocurrencia de precipitacin

La segunda tcnica apunta a representar correctamente la ocurrencia o no de precipitacin. Si ocurre una precipitacin positiva,

aunque sea lejana, los interpoladores que obtienen su valor realizando una suma ponderada de las observaciones conocidas

tienden a generar valores pequeos pero positivos en zonas donde la precipitacin observada es cero, generndose grandes

reas de valores positivos cercanos a cero que sobreestiman la precipitacin real ocurrida. Esta tcnica modela la ocurrencia de

precipitacin como una variable binaria que toma los valores 0 o 1.

Como primer paso, se convierten las observaciones de precipitacin a una nueva variable:

(, ) = {0 01

Se interpolan estos valores utilizando un interpolador ponderado por inverso de la distancia para obtener valores de para todo (, ) de inters y se fija un umbral tal que en las ubicaciones donde no se supere el umbral se estima que no ocurri




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precipitacin y en las ubicaciones que lo superen se estima que si hubo ocurrencia de la misma. El valor interpolado final

resulta:

(, ) = (, ) ((, ) > )

De esta manera se logra truncar abruptamente los campos continuos producidos por Kriging de acuerdo a si se estima o no que

haya ocurrido precipitacin en base a las observaciones.

La versin operativa del producto toma el umbral = 0,1, priorizando ser conservador respecto al filtro para evitar clasificar como no lluvia ubicaciones donde si llovi.

10. Paso 5 - Clculo del Balance Hdrico

El mtodo de clculo del balance hdrico es el propuesto por Thornthwaite y Mather (Thornthwaite y Mather, 1955). El mtodo

parte de los supuestos de que toda la precipitacin es efectiva y est disponible en primer trmino para ser utilizada en el

proceso de evapotranspiracin, y que los excesos no afectan el perodo siguiente. A su vez, se utiliza un modelo logartmico de

extraccin de agua de los suelos que limita la capacidad mxima de extraccin de acuerdo al agua disponible.

El modelo se rige por las siguientes ecuaciones:

Variable Descripcin Mtodo de Clculo

ADcc [mm] Capacidad de Almacenamiento del suelo Capacidad de Almacenamiento del suelo

P [mm] Precipitacin Acumulada Precipitacin acumulada en el perodo de clculo

ETP [mm] Evapotranspiracin Potencial Mtodo de Penman-Monteith, publicado por FAO

A [mm] P ETP =

AD [mm] Agua Disponible ( = 1 ( / )

=> = (1 + , )

ETR [mm] Evapotranspiracin Real ( =

=> =

VAD [mm] Variacin de agua disponible = 1

Def [mm] Dficit Hdrico =

Exc [mm] Exceso Hdrico ( = 0

=> = ( + , 0)

PAD [%] Porcentaje de agua disponible = ( / ) 100

IBH [%] ndice de bienestar hdrico = ( / ) 100

Tabla 1: ecuaciones que describen el comportamiento de las variables involucradas en el Balance Hdrico

11. Caractersticas de la solucin implementada

11.1. Resolucin espacial

Como se menciona en la seccin 3, los mtodos de interpolacin utilizados solo logran obtener valores representativos de reas

relativamente grandes, esto es ms significativo en la precipitacin, incluso con las tcnicas avanzadas de interpolacin que

mitigan estos problemas, dado que su distribucin espacial no es continua y est regida por procesos fsicos de pequea escala

(9 a 14km) que resultara econmicamente inviable de muestrear con una red pluviomtrica. Se estudi la incorporacin de

informacin satelital complementaria a la provista por la red pluviomtrica pero resultados preliminares indican que dada la

resolucin espacial de los productos satelitales disponibles en la actualidad (aproximadamente 30 km x 30 km), no se estara

agregando informacin adicional a la provista por la red. Trabajos futuros apuntan hacia la utilizacin de la informacin

satelital para controlar la calidad de los registros pluviomtricos, pero no hacia la mejora de la representacin espacial de la

variable. En particular la precipitacin en verano en Uruguay es de tipo convectivo, con eventos puntuales de poca extensin




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espacial y relativamente alta intensidad. Si bien en la precipitacin decenal este tipo de fenmeno se encuentra suavizado, la

pequea extensin espacial dificulta su adecuado muestreo con una red pluviomtrica, siendo ms adecuada su medicin por

ejemplo con radares meteorolgicos.

Sin embargo la capa de mayor variabilidad espacial no es la de precipitacin sino la de capacidad de almacenamiento de los

suelos. En particular, la zona del basalto norte (suelos de poca capacidad de almacenamiento) presenta una altsima

irregularidad con suelos de cerca de 20mm de profundidad, rodeados de suelos de 100mm o 160mm. El uso de menores

resoluciones necesariamente conduce a la necesidad de utilizar un suelo promedio como representante de cada pixel. Una

buena aproximacin es tomar el suelo promedio ponderado por el rea que ocupa cada profundidad del suelo dentro del pixel

en relacin al rea total del pixel, pero aun as, esto no es suficiente. La funcin del balance que calcula la cantidad de agua

disponible en el suelo es altamente no lineal en este parmetro, dado que sus valores estn acotados por el cero por lo bajo o

por la capacidad de almacenamiento que tiene el suelo por lo alto. El uso de parmetros promediados a la entrada de funciones

no lineales acarrea problemas ya que el valor de salida de una funcin no lineal con entradas promedio no estima

correctamente la salida promedio de la funcin no lineal con diversas entradas.

El siguiente escenario ejemplifica esto: en un pixel dado se tiene un suelo de 20mm de capacidad de almacenamiento, uno de

40mm y otro de 140mm. Para simplificar se asume que cada de los suelos uno ocupa un tercio del pixel. El suelo promedio es

de (20 + 40 + 140) / 3 = 66.6mm. Se supone que los suelos comienzan sin agua y que PE-ETP=20mm. El primer paso de

tiempo no hay problemas, los tres suelos almacenan 20mm de agua, el suelo promedio, de 66.6mm, tambin almacena los

20mm y el promedio del agua disponible en los tres tipos de suelos (promedio a la salida de la funcin no lineal) tambin es

20mm. Segundo paso de tiempo, nuevamente PE-ETP=20mm. Los suelos de 40mm y 140mm alcanzan los 40mm pero el de

20mm se queda en 20mm. Sin embargo el suelo promedio es de 66.6mm, entonces tambin alcanza los 40mm, mientras que el

promedio de los suelos es (20 + 40 + 40) / 3 = 33.3mm. En el tercer paso, la situacin empeora ya que se satura tambin el

suelo de 40mm pero el suelo promedio sigue aceptando agua. El suelo promedio marca 60mm y el promedio de los suelos es

(20 + 40 + 60) / 3 = 40mm. Los prximos pasos no son tan graves porque el suelo promedio finalmente se satura, pero de todas

formas el problema persiste hasta que los 3 suelos se llenan del todo, igualndose la cantidad de agua disponible promedio de

los tres tipos de suelo con la cantidad de agua disponible en el suelo promedio.

El uso de un suelo promedio sobreestima el agua disponible siempre que se sature el suelo de menor capacidad y hasta que se

saturen todos los suelos en el pixel. Hacia el otro lado (PE-ETP=-20mm), las operaciones no son tan sencillas debido al

logaritmo en la extraccin de agua de los suelos, pero el suelo promedio subestima la cantidad de agua disponible, porque

puede vaciarse ms rpido que lo que permitiran vaciar los 3 suelos independientes.

La capa rasterizada utilizada por esta implementacin del producto tambin hace un promedio de los suelos dentro del pixel de

1km x 1km, sin embargo los promedios son ms representativos de los suelos, debido a que en trminos generales, en reas

ms chicas, la dispersin de los valores de capacidad de almacenamiento encontrados es menor.

Esta es la razn por la cual, aun cuando las capas interpoladas no representan correctamente las variaciones de tan pequea

escala y solo son representativas de grandes reas, se decidi conservar la alta resolucin del producto. Mejoras en las

tecnologas de medicin de la precipitacin (como radares meteorolgicos) o de las variables involucradas en el clculo de la

evapotranspiracin potencial (como temperaturas provenientes de estimaciones satelitales) pueden ayudar a dar un mejor

tratamiento a este problema.

11.2. Automatizacin del sistema

El procedimiento de clculo desarrollado es completamente automtico, contndose adicionalmente con una versin manual

del procedimiento para poder ejercer un control supervisado de los valores publicados en caso de requerirse.

El sistema est desarrollado sobre la base nacional de datos meteorolgicos MCH2, con lo cual expande y aprovecha las

funcionalidades desarrolladas para l. En particular los controles de calidad, tanto supervisados como automticos, realizados

rutinariamente en el INUMET sobre la informacin de entrada del balance son aprovechados por el mtodo en forma

transparente.

Las metodologas estadsticas de compensacin de informacin faltante representan una solucin operativa para preservar las

series en el caso de que exista una cantidad acotada de informacin faltante y fueron diseados para hacer el mayor uso de la

posible de la informacin disponible. Si no se cuenta con la informacin se realizan estimaciones dentro de lo razonablemente

posible de los valores faltantes, pero si se cuenta con los datos, el sistema los utiliza en su totalidad, sin requerir intervencin

humana ni modificacin alguna al cdigo.




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11.3. Aspectos informticos de la solucin

Los procesos de clculo se disearon para hacer uso mximo de las capacidades de cmputo disponibles, aprovechando todos

los procesadores del equipo donde se ejecutan los clculos y manteniendo el consumo de memoria controlado. Esto permite

escalar el sistema para el trabajo con series de datos de largo aliento y posibilitar, en la medida en que se cuente con la

informacin digitalizada, realizar anlisis de variantes o corridas operativas en tiempos menores.

Un equipo con 4 GB de memoria RAM est en condiciones de realizar los clculos con 8 CPUs. En la medida que se aumente

la cantidad de procesadores a utilizar tambin ser necesario aumentar la memoria disponible para el sistema a razn de unos

500 MB por CPU, aunque por las caractersticas de los clculos realizados pasados los 10 CPUs el beneficio ser marginal.

Se disearon formatos especficos de almacenamiento de la informacin que minimizan los requerimientos de espacio en disco

para el guardado en la base de datos y se tiene la posibilidad de adicionar fcilmente al cdigo desarrollado la exportacin en

formatos estndar de cdigo abierto como lo son GeoTIFF o NetCDF.

12. Trabajos a futuro

Las siguientes tareas representan actividades complementarias identificadas durante el desarrollo del producto que con un

esfuerzo adicional pueden reportar mejoras en los resultados obtenidos por el sistema.

12.1. Trabajo directo con mediciones de radiacin solar

Cuando se comenz el desarrollo del producto, INUMET no contaba con mediciones directas de radiacin solar salvo en una

de sus estaciones meteorolgicas. Sin embargo, en la actualidad, estn en proceso de instalacin nuevas estaciones automticas

de medicin que cuentan con registros de esta variable. Realizando algunas modificaciones menores al cdigo se puede

aprovechar estas mediciones logrndose contar con ms informacin para el clculo de la evapotranspiracin potencial.

12.2. Kriging Universal para la interpolacin de la evapotranspiracin potencial

Observando los valores de la capa de evapotranspiracin potencial (con la escala adaptada), se nota frecuentemente un

gradiente espacial en los valores de la variable, con los mximos generalmente ubicados hacia el norte y los mnimos hacia el

sur. Este gradiente es coherente con la fsica de la variable, ya que sta est directamente ligada a la temperatura, y a su

gradiente espacial. La tcnica de interpolacin de Kriging Universal incorpora al Kriging Ordinario una funcin de tendencia

espacial que se ajusta a los datos observados y podra utilizarse para modelar dicho gradiente, mejorando la representacin

espacial de la variable.

12.3. Ajuste del umbral de ocurrencia/no ocurrencia de precipitacin en base a los datos observados

Actualmente el valor del umbral utilizado para la estimacin de ocurrencia/no ocurrencia de precipitacin es un valor fijo,

escogido para realizar un filtrado conservador de los datos. Dicho umbral podra calibrarse para cada observacin particular,

minimizando el error de clasificacin de las observaciones disponibles utilizando una tcnica de validacin cruzada.

12.4. Incorporacin de datos de modelado numrico del tiempo/estimaciones satelitales

Existen algunas variables de las utilizadas para las cuales los modelos numricos de prediccin del tiempo logran una muy

buena performance. Utilizando los valores espaciales pronosticados para el tiempo 0 (el ltimo momento para el cual se

asimilan datos para la corrida del modelo), se podra lograr una mejor descripcin espacial de la variable que lo que pueden

lograr las interpolaciones. Esto es particularmente cierto para la intensidad media del viento.

A su vez, estimaciones satelitales de temperatura han logrado una muy buena performance, obtenindose errores menores a un

grado Celsius y una descripcin espacial de la variable de altsima resolucin.

Incorporar estas capas de informacin sustituyendo las interpolaciones realizadas en la actualidad podran permitir mejorar la

calidad del campo de evapotranspiracin potencial obtenido.

12.5. Agregacin espacial de las variables de salida

El tratamiento habitual para mitigar el problema de la representatividad de las interpolaciones consiste en una metodologa

denominada Kriging por bloques. En esta metodologa, siguiendo un esquema similar al de la rasterizacin presentada en la




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seccin 5, los pxeles son divididos en subpixeles ms pequeos, calculando para cada uno de ellos un valor interpolado y

luego promediando los valores se obtiene el valor final del pixel. Utilizando una tcnica similar se podra agregar

espacialmente las capas de salida del balance por ejemplo a pxeles de 5 km x 5 km. Esta solucin facilitara la interpretacin

de los resultados, evitando la interpretacin kilmetro a kilmetro, y no incurrira en los problemas descritos en la seccin 11.1

ya que el promedio se realizara a la salida de la funcin no lineal del balance.

12.6. Corridas retrospectivas con informacin proveniente de climatologas

Existe an una gran parte de la informacin meteorolgica en registro papel que no ha sido digitalizada. En particular esto es

as para la heliofania y el recorrido del viento. Estas variables tienen un impacto menor en el clculo de la evapotranspiracin

potencial en relacin al efecto que tienen las temperaturas. Entretanto no se disponga de esta informacin, pueden utilizarse

como sustituto los valores climatolgicos (promedio de los ltimos 30 aos para cada mes del ao) o incluso climatologas

tentativas con una menor cantidad de aos pero que respeten el ciclo anual de la variable, de modo de contar con informacin

suficiente para realizar corridas retrospectivas con un esfuerzo menor al que representara digitar todo el perodo.

Adems esta metodologa puede sustituir, o complementar, a la compensacin espacial de datos faltantes, sustituyendo los

valores faltantes en vez de por la interpolacin por el valor climtico directamente o por la interpolacin asistida por la

climatologa.

13. Referencias bibliogrficas

1. Thornthwaite, C.W.; Mather, J.R. 1955. The water balance. Publications in Climatology. New Jersey, Drexel Institute of Technology.

2. Shaw, R. Diciembre 1936. Estimation of soil moisture under corn. Research Bulletin 520, Agricultural and Home Economics Experiment Station, Iowa State University.

3. Agorio, C.; Cardellino, G.; Corsi, W.; Franco J. 1988. Estimacin de las necesidades de riego en Uruguay. Ministerio de Ganadera, Agricultura y Pesca, Direccin General de Recursos Naturales Renovables, Divisin Uso y Manejo del

Agua.

4. Allen R.; Pereira L.; Raes D.; Smith M. 2006. Estudio FAO Riego y Drenaje N 56 Evapotranspiracin del cultivo. Guas para la determinacin de los requerimientos de agua de los cultivos. Food and Agriculture Organization of the

United Nations. , Consultado 23/03/2014.

5. Molfino J. Octubre 2009. Estimacin del Agua Disponible en los grupos CONEAT. Direccin General de Recursos Renovables. , Consultado 23/03/2014.




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