Introducción

La precipitación es uno de los procesos meteorológicos más importantes. El agua de superficie es imprescindible para la existencia de la vida terrestre. La precipitación es un componente del ciclo hidrológico, o del agua, ilustrado a continuación. La precipitación es el mecanismo de recarga de la superficie, que pierde agua por evaporación o escorrentía, y, como tal, sustenta la vida.

Medir la intensidad de la precipitación y área de superficie que se beneficia de ella es esencial para evaluar la disponibilidad del agua. Todos sabemos que las precipitaciones pueden ser intermitentes y que su distribución es desigual. Las consecuencias de recibir en pocas horas una cantidad de lluvia equivalente a la que suele caer en el transcurso de varios días pueden ser importantes: la lluvia que normalmente conduce a condiciones óptimas para los cultivos pasa a provocar crecidas repentinas potencialmente catastróficas. Por ejemplo, en 2010, en algunas zonas del estado de Tennessee (EE. UU.) cayeron en dos días más de 480 mm de lluvia, equivalente a la cantidad que esa región recibe normalmente en el transcurso de varios meses.

Foto captada el 4 de mayo de 2010 durante un reconocimiento aéreo de la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (Federal Emergency Management Agency, FEMA) de la inundación de Dyersburg, Tennessee, provocada por tormentas severas, que dañó y destruyó viviendas y negocios.

Para monitorear adecuadamente la disponibilidad del agua es preciso medir la distribución espacial de la precipitación. Si bien un lugar individual puede recibir cantidades considerables de precipitación, es también posible que un lugar vecino no reciba ninguna.

Esto significa que debemos medir la precipitación en función tanto del tiempo como del espacio. En teoría, esto parece sencillo: se instala un pluviómetro (o un balde o cubo) y se mide periódicamente la cantidad de agua que contiene. Para medir la precipitación en una zona extensa, se instala un número adecuado de pluviómetros a través del área de interés. Como se explica a lo largo de esta lección, sin embargo, medir la precipitación y evaluar la incertidumbre son asuntos más complejos.

Introducción » Objetivos de instrucción

Esta lección se centra en los instrumentos, los métodos de medición y otros aspectos relacionados con la identificación del tipo de precipitación que cae y la cantidad e intensidad (o tasa) de precipitación, con un énfasis las mediciones realizadas en la superficie y las incertidumbres relacionadas. Esta lección no se ocupa de las mediciones de la precipitación realizadas por satélite o radar.

Al final de esta lección usted podrá:

1. Identificar los diferentes métodos de medición de la cantidad y la intensidad de la precipitación.
2. Describir los principios de funcionamiento de los instrumentos comúnmente utilizados para medir la precipitación a nivel del suelo.
3. Identificar las fuentes de incertidumbre en las mediciones de precipitación.
4. Escoger los instrumentos de medición adecuados para determinados requisitos científicos u operacionales.
5. Recomendar el lugar de emplazamiento óptimo de acuerdo con su representatividad y las necesidades de medición dadas.

Esta lección contiene numerosas preguntas interactivas diseñadas para reforzar los conceptos a medida que se avanza en el estudio del material. Es recomendable tener conocimientos previos en las mediciones atmosféricas.

Varios de los términos que se presentan en esta lección están enlazados al Glosario de instrumental meteorológico. Tenga en cuenta que el enlace lleva al comienzo de la sección del glosario correspondiente a la letra inicial del término y a veces es preciso desplazar la página para encontrar la definición del término específico.

Introducción » Definición de precipitación

Muchas disciplinas manejan definiciones distintas, de modo que parece apropiado definir el término «precipitación» antes de examinar los aspectos relacionados con su medición. En esta lección, al hablar de la precipitación nos guiaremos por la siguiente definición, recogida en el glosario de la American Meteorological Society (AMS):

1. Todas las partículas acuosas en fase líquida o sólida que se originan en la atmósfera y caen a la superficie terrestre.
2. La cantidad de la sustancia agua, expresada normalmente en milímetros o pulgadas de profundidad de agua líquida, que cae en un punto determinado en el transcurso de un período dado. Puesto que estas mediciones suelen realizarse con pluviómetros fijos, el total puede incluir pequeñas cantidades de rocío, escarcha, cencellada, etc. El término lluvia, de uso más habitual, se emplea también con este significado global que incluye, además de la cantidad correspondiente a la lluvia, el equivalente en agua líquida de las precipitaciones heladas. Precipitación es el término general preferido.

La precipitación total se puede también determinar integrando la tasa de precipitación (un flujo) a lo largo de un período de tiempo. Por ejemplo, representa la precipitación total en 3 horas y el resultado se expresa en milímetros o en pulgadas.

Cada campo científico considera la relevancia, la utilidad y los impactos de la cantidad de sustancia agua que alcanza la superficie terrestre desde su propia perspectiva. En hidrología, por ejemplo, se considera como un aspecto del ciclo hidrológico que implica transferencias de un reservorio a otro. Por otra parte, en agronomía el interés principal es la precipitación útil o efectiva, la cantidad suficiente para regar los cultivos durante la estación, mientras que desde la perspectiva del personal de meteorología radar se trata de los hidrometeoros responsables de la señal radar devuelta. Por último, en las ciencias atmosféricas nos esforzamos por comprender los procesos que conducen a la formación de la precipitación y por pronosticar dónde ocurrirán dichos procesos y las formas que adoptará la precipitación (sólida, líquida o de fase mixta).

Esta lección describe los instrumentos empleados para medir la precipitación sobre la tierra y en la superficie o muy cerca de ella. La lección no se ocupa explícitamente de la medición de las precipitaciones sobre el océano ni en altura. Para obtener información sobre las mediciones de precipitación por encima de la superficie consulte la lección de COMET titulada Fundamentos de radar meteorológico.

Introducción » Unidades y escalas de precipitación

La precipitación acumulada en un pluviómetro estándar o de cubeta basculante (o balancín) suele expresarse en términos de profundidad lineal (volumen/área) y típicamente se registra en milímetros (mm) o pulgadas (in) de profundidad a través de un área uniforme.

La unidad empleada por los pluviógrafos de pesada es el kg m^-2 (masa/área). Suponiendo una densidad del agua de 1000 kg m^-3, esto equivale a la profundidad lineal y se registra como tal. La cantidad de precipitación diaria se debe medir con una precisión de 0,25 mm (0,01 in) o, de ser posible, de 0,1 mm (0,005 in). Si la precipitación medida es inferior a 0,25 mm, se registra como traza.

La intensidad o tasa de precipitación se expresa en unidades lineales similares divididas entre el intervalo de tiempo de las observaciones (p. ej., mm h^-1). La frecuencia de observación de la cantidad de precipitación puede ser horaria, cada tres horas, diaria o, para usos especiales, más frecuente.

A diferencia del equivalente en agua líquida, la profundidad de la nieve se mide al intervalo de 0,25 cm (0,1 in) más cercano. Se consideran trazas los valores inferiores a 0,2 cm. El uso de centímetros en lugar de milímetros como unidad de medida refleja la menor densidad de la nieve.

Métodos de medición

El instrumento más común para medir la precipitación es el pluviómetro. Dicho instrumento mide el volumen o el peso de las partículas acuosas líquidas o sólidas captadas en el transcurso de un determinado período de tiempo (p. ej., cada hora, cada tres horas, a diario, semanalmente, episódicamente, según las necesidades de un proyecto específico, etc.) como una cantidad acumulada a partir de la cual se puede calcular la tasa de precipitación, es decir, su intensidad.

Las primeras mediciones de lluvia de las que se tiene constancia se registraron en la India y se remontan aproximadamente al año 400 antes de la era común (Strangeways, 2010). El primer pluviómetro estándar fue el Cheugugi, inventado en Corea en 1441 e. c., durante la dinastía Joseon, el cual tenía una resolución de 0,303 cm y se utilizaba para medir tanto la precipitación total como la tasa de precipitación (Bellis, 2017).

Pluviómetro tipo Cheugugi. El cilindro colector de este instrumento tiene una profundidad de 32 cm y un diámetro de 15 cm.

Los pluviómetros manuales (con o sin embudo) han sido el método de medición estándar desde entonces y continúan empleándose en muchas estaciones de observación en todo el mundo. En 1662, en Gran Bretaña, Christopher Wren y su colaborador Robert Hooke inventaron el primer pluviómetro de cubeta basculante, que sigue utilizándose hoy en día.

Varios métodos de detección y medición de la precipitación en la superficie complementan el sistema tradicional de captación en un cilindro colector o lo han remplazado. Esta lección presenta una variedad de instrumentos para medir y registrar el tamaño de las gotas, llamados disdrómetros (p. ej., de impacto, ópticos), instrumentos doppler y detectores del tiempo presente. Estos instrumentos tienen en común la capacidad de generar mediciones de alta frecuencia a lo largo de un determinado período de tiempo (p. ej., 1 a 5 minutos) para establecer una distribución de tamaños de partículas. La integración de estos datos para un rango de tamaños de partículas efectivo permite calcular la cantidad y la intensidad de precipitación.

La medición de la profundidad e intensidad de la nieve presenta retos especiales. Los efectos combinados de vientos horizontales, velocidades terminales de caída lentas y variaciones en la forma de los cristales de hielo pueden conducir a grandes incertidumbres en la tasa de nieve y la cantidad de nieve acumulada. Los equipos más modernos, como los disdrómetros ópticos, los colchones nivométricos o de nieve y mejores sistemas de protección del viento (paravientos), comienzan a desplazar los instrumentos tradicionales que requieren calentamiento o el uso de anticongelantes.

La cantidad de precipitación es un ejemplo de una magnitud meteorológica que exhibe gran variabilidad espacial. Los campos termodinámicos de temperatura, presión y vapor de agua se caracterizan por gradientes continuos en los cuales los cambios a través del campo se representan de forma aproximada como discontinuidades de segundo orden. Sin embargo, incluso con los mejores instrumentos capaces del mayor grado de eficiencia de recolección, la mayoría de las mediciones de precipitación solo son representativas de una zona pequeña. El tamaño de esta zona depende de la duración del período de acumulación, de la homogeneidad fisiográfica de la región, de la topografía local y de los procesos que intervienen en la producción de precipitaciones (OMM, 2008). Una red de medición de la precipitación que integre los datos de los satélites y radares meteorológicos con los de los instrumentos puntuales en superficie puede generar estimaciones de la precipitación lo suficientemente robustas y confiables para su uso en el ámbito operativo.

Medición de la lluvia y del equivalente en agua líquida

Podemos dividir los pluviómetros en dos categorías generales: 1) los de captación, los cuales recogen la precipitación y miden el volumen o el peso del agua captada, y (2) los disdrómetros, que miden la cantidad y el volumen de las gotas que caen. Entre los instrumentos de captación, podemos diferenciar los pluviómetros manuales, cuya lectura requiere una persona, de los que se pueden automatizar para registrar la precipitación de forma más o menos continua.

Varios pluviómetros diferentes: en sentido horario desde la izquierda inferior, un pluviómetro estándar, un detector del tiempo presente lineal, un pluviógrafo de pesada y un disdrómetro acústico.

Medición: pluviómetros de captación

Los instrumentos de captación de la precipitación tienen tres componentes esenciales:

1. un cilindro circular con un eje perpendicular a una base nivelada y un borde afilado;
2. un embudo receptor diseñado para minimizar las salpicaduras; y
3. un sistema registrador manual, mecánico, eléctrico u óptico que indique la precipitación acumulada o total.

Consideraciones adicionales:

1. el cilindro y el embudo deben ser lo suficientemente profundos para impedir la salida del agua que salpica;
2. se deben escoger materiales que reduzcan al mínimo la humectación por adherencia a la superficie; y
3. el diseño debe minimizar la pérdida de agua por evaporación.

Los pluviómetros se suelen instalar a cierta distancia de la superficie del suelo (50-150 cm). Por sorprendente que parezca, por motivos históricos no existe una norma internacional común que establezca una distancia al suelo para las mediciones de lluvia, de modo que cada país establece sus propios estándares al respecto.

Medición: pluviómetros de captación » Pluviómetros no registradores (estándar)

Los pluviómetros (estándar) no registradores son cilindros circulares con un eje perpendicular a una base nivelada. Miden 20 cm (8 in) de diámetro y tienen una altura de 50 cm (20 in). Un embudo conduce el agua hacia un cilindro graduado de 4 cm de diámetro alojado en el interior del recipiente más grande. Normalmente, la lluvia se lee vertiéndola en un tubo calibrado con marcas de profundidad o con una varilla calibrada de inmersión. La incertidumbre no debe exceder los 0,2 mm y, preferiblemente, ser de 0,1 mm.

Pluviómetros estándar no registradores. Izquierda: pluviómetro con cilindro graduado interno, cilindro externo y embudo. Centro: vista interior de un pluviómetro metálico con varilla de inmersión calibrada en el cilindro interno. Derecha: primer plano de la varilla de inmersión calibrada.

Si el volumen de la precipitación excede la capacidad del cilindro graduado, desborda y se acumula en el cilindro más grande. Una vez medida la cantidad de lluvia, se vacía el cilindro graduado y se vierte en él el líquido acumulado en el cilindro más grande; tras medirlo, se suman las dos cantidades para obtener la precipitación acumulada total. En la mayoría de los países se considera «traza» una cantidad de lluvia por debajo de 0,1 mm; En los Estados Unidos, traza se define como menos de 0,2 mm (0,01 in) de lluvia.

Los pluviómetros estándar de este tipo se utilizan para medir la precipitación total durante un período determinado. El pluviómetro estándar no registrador más común es el de Symons, una versión del cual se muestra en la figura anterior. Los pluviómetros estándar no registradores son instrumentos sencillos, poco costosos y fáciles de conseguir. Si se monitorean con frecuencia y se realizan con cuidado las operaciones de vertido y medición del volumen de la precipitación, pueden ser muy eficaces para medir cuantitativamente la precipitación acumulada en el transcurso de un período de tiempo.

Cuando se emplean en redes de pluviómetros, es importante que las lecturas de todos los instrumentos se registren simultáneamente, es decir, todos los días a la misma hora, preferiblemente por la mañana.

Pluviómetro de bajo costo empleado en la red CoCoRaHS (Community Collaborative Rain, Hail, and Snow Network). Este instrumento puede proporcionar datos de precipitación cuantitativos utilizables si se instala correctamente en un área representativa y se realizan las mediciones con cuidado.

Medición: pluviómetros de captación » Pluviómetros registradores

Medición: pluviómetros de captación » Pluviómetros registradores » Pluviómetros de cubeta basculante (o balancín)

El pluviómetro de cubeta basculante es un aparato mecánico que consiste en un embudo receptor instalado en el interior de un cilindro circular que dirige la precipitación hacia un lado u otro de un dispositivo de balancín dividido en dos cubetas que oscila sobre un eje o fulcro. Cuando se acumulan 0,2 mm (0,01 in) de lluvia en una cubeta, el dispositivo oscila, vaciándose, y el agua comienza a acumularse en la otra. Un imán acoplado al balancín activa un interruptor que envía señales de acumulación a un registrador de datos (data logger).

El pluviómetro de cubeta basculante es el aparato de medición de la precipitación más utilizado en el mundo, debido a su confiabilidad, a su costo relativamente bajo y a su capacidad de automatizar la transferencia de datos desde emplazamientos remotos mediante señales electrónicas. Además, las unidades con dispositivo de calefacción permiten obtener mediciones del equivalente en agua líquida en aquellas regiones donde ocurren precipitaciones heladas.

Pluviómetro de cubeta basculante de 20 cm con trampa de escombros (izquierda, en el centro del embudo) y unidad de calentamiento (4 °C) para medir el equivalente en líquido. Cuando la cubeta recoge 0,2 mm de agua líquida, su vuelco envía un pulso electrónico a la unidad de procesamiento de datos que registra el valor correspondiente.

Cada vuelco de las cubetas produce un pulso electrónico. La precipitación acumulada en el transcurso de un período dado se puede calcular de la manera siguiente:

cantidad de precipitación = (número de vuelcos) × (cantidad de lluvia en cada vuelco)

También se puede determinar la tasa o intensidad de precipitación:

Medición: pluviómetros de captación » Pluviómetros registradores » Pluviógrafos de flotador

Los pluviómetros de sifón o de flotador son instrumentos de captación dotados de un flotador que asciende a medida que se acumula agua en un depósito. Una vez que el depósito se llene, un sifón descarga el agua acumulada al suelo. Los pluviómetros de sifón se usan poco.

Animación de un pluviógrafo de flotador/sifón. A medida que la lluvia se acumula en el depósito, el flotador sube y desplaza la plumilla de un registrador analógico, que puede ser un sistema sencillo de tambor giratorio con papel graficador o incluir un convertidor analógico a digital que transforma la salida en señales electrónicas digitales.

Medición: pluviómetros de captación » Pluviómetros registradores » Pluviógrafos de pesada (o pesaje)

El pluviógrafo de pesada consiste en un colector cilíndrico con un orificio que permite la deposición de cualquier tipo de precipitación en un recipiente que descansa sobre una balanza. El peso de la precipitación acumulada en el recipiente se mide de forma continua y se puede registrar mecánicamente en el papel graficador que avanza sobre un cilindro o tambor giratorio (visible en la imagen) o digitalmente, mediante un transductor, en un dispositivo de almacenamiento.

Animación de un pluviógrafo de pesada con sistema de transferencia mecánica y aparato registrador. La precipitación que entra por el embudo se acumula en un recipiente de recolección que descansa sobre una balanza de resorte la cual, a su vez, produce el movimiento de una plumilla que registra la cantidad de precipitación en el papel graficador montado sobre un tambor giratorio. Cuando la plumilla alcanza el borde superior del papel, se invierte la dirección de registro de la plumilla.

Los pluviógrafos de pesada más disponibles comercialmente tienen un volumen de captación de 600 a 1500 mm. Pueden alcanzar una resolución de hasta 0,01 mm y registrar los cambios con una frecuencia de hasta 1 minuto. Dada una balanza suficientemente sensible, los pluviógrafos de pesada permiten medir cambios muy pequeños en el agua acumulada.

Pluviógrafo de pesada instalado en un observatorio remoto (derecha). La foto de la izquierda identifica algunos componentes del instrumento.

La acción de vientos fuertes puede generar flujos turbulentos que producen variaciones considerables en la presión del aire, un efecto de bombeo que causa oscilaciones en el peso medido por el instrumento. Dichas oscilaciones se pueden minimizar promediando las lecturas a través de intervalos pequeños (típicamente de 1 a 5 minutos), por medio de software o durante la fase de posprocesamiento.

Los pluviógrafos de pesada tienen pocos componentes móviles, pero, al igual que la mayoría de los instrumentos, requieren procedimientos de mantenimiento regular.

La calibración implica efectuar una serie de pesadas de precisión para asegurar que las mediciones del instrumento sean adecuadas.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación

Todos los pluviómetros son susceptibles de error, que en algunos casos puede tener una magnitud considerable. En esta sección se describen los errores comunes a todos los pluviómetros de captación, con explicaciones adicionales de los errores y los sesgos asociados con ciertos tipos específicos de pluviómetros de captación. En la mayoría de los casos se trata de mediciones por debajo de la cantidad de precipitación que realmente cayó, hasta por un 30 % en el caso de la lluvia y un 50 a 70 % para las precipitaciones congeladas, según la velocidad del viento. La mayoría de los errores se deben al viento, a la adherencia a las superficies del instrumento, a la evaporación y a las salpicaduras.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Errores inducidos por el viento

Las mediciones en túneles aerodinámicos muestran que la corriente de aire que pasa sobre la boca de un pluviómetro puede afectar la capacidad del instrumento para captar las lluvias o nieves ligeras. El flujo es de izquierda a derecha.

Los pluviómetros afectan el desplazamiento y la aceleración de la corriente de aire a medida que el viento pasa por encima del instrumento, como se aprecia en la foto anterior. Este efecto se observa tanto en las mediciones estándar obtenidas con los instrumentos de las oficinas de pronóstico del Servicio Nacional de Meteorología (National Weather Service, NWS) de los EE. UU. como en las mediciones obtenidas con los pluviómetros recomendados por las redes de ciudadanos voluntarios, como CoCoRaHS (Community Collaborative Rain, Hail, and Snow), una red de observación de nieve, granizo y lluvia basada en la colaboración de una comunidad integrada por más de 20 000 miembros.

Lo ideal sería que el pluviómetro captara exactamente la misma cantidad de precipitación que hubiera realmente alcanzado el suelo en ese lugar. Sin embargo, según Pollock et al. (2018), todas las mediciones históricas de precipitación son sistemáticamente insuficientes. La magnitud de esta insuficiencia de captación se desconoce y cambia continuamente debido a la complejidad de las interrelaciones entre un conjunto de variables dependientes (p. ej.: viento, temperatura y humedad).

El método aceptado para reducir el error en las mediciones de lluvia provocado por el flujo del viento encima del pluviómetro consiste en enterrar pluviómetros de referencia de acuerdo con las directivas de la OMM, como en esta foto.

Pluviómetros enterrados en un foso de referencia de la OMM empleado en un estudio de comparación de pluviómetros realizado en Italia en 2007 (Vuerich et al., 2009).

El foso cavado en el suelo incluye un sistema de protección contra las salpicaduras que disminuye la cantidad de precipitación que entra en los pluviómetros después de chocar contra el suelo. Este foso de referencia se empleó para reducir el error inducido por el viento y comparar la eficacia y la eficiencia de captación de varios pluviómetros de captación distintos.

En comparación con las mediciones de los pluviómetros enterrados, los instrumentos de captación presentan un error sistemático medio provocado por el viento del 4 %, que alcanza el 15 % durante el paso de un evento de vientos fuertes (Duchon y Essenberg, 2001).

Izquierda: pluviómetro de cubetas basculantes en el medio de un paravientos de Alter. Derecha: paravientos de Alter doble alrededor de un pluviógrafo de pesada. Según la empresa Campbell Scientific, la altura óptima recomendada del borde superior de un paravientos de 4 pies (120 cm) de diámetro es de 0,5 a 1 pulgada (~ 1,25 a 2,5 cm) por encima del borde del pluviómetro.

A fin de reducir la velocidad media del viento y la energía cinética turbulenta provocada por el aire que se acerca a un pluviómetro instalado por encima del suelo se pueden utilizar varios tipos de protección o paravientos. Estos dispositivos son recomendables para las mediciones de lluvia, pero son indispensables para medir la nieve. Duchon y Essenberg (2001) hallaron que la eficiencia de captación de lluvia de los pluviómetros protegidos es un 1,8 % más alta que la de los instrumentos sin protección.

Encontrará una explicación de distintas configuraciones de paravientos más adelante, en la sección Impactos del viento en las mediciones de nieve.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Errores por humectación (adherencia)

En su séptima edición, la Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO) de la OMM (la Guía de la CIMO, 2008) advierte que el error provocado por humectación de las paredes internas del recipiente y las pérdidas que ocurren al vaciar el depósito de agua pueden alcanzar entre el 2 y el 15 % en verano y entre el 1 y el 8 % en invierno. Wagner (2009) hizo un resumen de los estudios que informan de las pérdidas por humectación.

Foto de agua adherida a una superficie.

Estas pérdidas son provocadas por la adherencia del líquido a la pared interna del recipiente, que luego se evapora o sublima (de ser congelado). El efecto varía según el tipo de instrumento, la relación entre el área de superficie de la pared y de la boca de captación, y el clima, que controla las tasas de evaporación y sublimación. Las pérdidas por humectación son mayores en los pluviómetros manuales no registradores, porque el agua que adhiere a las superficies internas no se incluye al vaciar el recipiente. Los pluviómetros de cubeta basculante registran pérdidas por humectación menores, porque no requieren vaciar el instrumento. Los pluviógrafos de pesada exhiben este efecto en menor medida, porque algunas de las superficies internas se pesan. Los disdrómetros, que se describen más adelante, no usan ningún recipiente, de modo que no presentan este problema.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Errores por salpicadura

La OMM hace la siguiente recomendación respecto de la geometría de la sección cilíndrica y el embudo de los pluviómetros: toda línea perpendicular a la superficie inclinada del embudo debe intersecar la pared lateral del tubo cilíndrico debajo del borde del instrumento, como se muestra en esta figura. Esta geometría recomendada minimiza las pérdidas que pueden ocurrir cuando los hidrometeoros salpican al golpear el embudo y parte del agua sale del instrumento, lo cual reduce la cantidad total de precipitación captada.

Dos diseños de embudo empotrado adecuados para retener la precipitación que salpica en el instrumento a fin de registrarla.

El diseño del embudo impide las pérdidas por salpicadura, un error sistemático irreversible.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Errores por evaporación

La evaporación es un potencial error sistemático que ocurre en los pluviómetros que almacenan el agua captada, como los pluviómetros estándar de Symons y los pluviógrafos de pesada. En su estudio, Leeper y Kockendorfer (2015) compararon las pérdidas por evaporación en dos pluviógrafos de pesada GEONOR T-200b de uso común, uno con un inhibidor de evaporación (una capa fina de aceite) y otro sin él. Los resultados se muestran en la gráfica. Durante un período de tres meses, el instrumento sin el inhibidor (Geonor-Evap en la gráfica) registró la pérdida de 228,5 mm de agua. Durante el mismo período, el pluviómetro con el inhibidor de evaporación (Geonor-noEvap) perdió una mera fracción de esa cantidad (2,6 mm).

Diferencia en la profundidad de precipitación acumulada registrada en tres meses con dos pluviógrafos de pesada GEONOR, uno con inhibidor de evaporación (Geonor-NoEvap) y otro sin él (Geonor-Evap).

Los eventos de precipitación se pueden ver fácilmente en la curva Geonor-Evap, pese a que la evaporación predomina como factor de cambio a lo largo del tiempo. Esto significa que los pluviógrafos de pesada también permiten estimar la cantidad de precipitación captada que se pierde por evaporación. Esto no es así con los pluviómetros de captación manual estándar, ya que no tienen cómo registrar la pérdida por evaporación entre observaciones.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Incertidumbre en los sistemas de cubeta basculante

Gráficas de series temporales del viento (arriba) y de precipitación (abajo) que muestran la acumulación aparente de lluvia durante una serie de ventarrones en Boulder, Colorado (EE. UU.). Estos valores se deben a vuelcos erróneos de la cubeta, ya que no llovió durante este período.

Además de las fuentes de error que acabamos de describir, las medidas de los pluviómetros de cubeta basculante pueden verse afectadas por:

1. pérdidas de agua durante la acción de volcado bajo lluvias fuertes;
2. vuelcos erróneos de la cubeta en situaciones de viento fuerte;
3. pérdidas por evaporación, especialmente con lluvias ligeras en regiones cálidas;
4. adherencia del agua a la cubeta después del vuelco, lo cual agrega peso a la cubeta vacía que debe superarse para producir el vuelco;
5. fricción del cojinete; y
6. desequilibrio de la cubeta por desnivel del instrumento.

La gráfica muestra vuelcos incorrectos de la cubeta durante una serie de ventarrones en Boulder, Colorado. No hubo precipitación alguna durante ese período.

Además de los errores sistemáticos de exposición del instrumento —los que ocurren por acción del viento, humectación, evaporación y salpicadura—, pueden ocurrir otros errores de muestreo relacionados con el volumen de resolución, el tiempo de muestreo y la frecuencia de precipitación.

• Los distribuidores de pluviógrafos automáticos de cubeta basculante suelen ofrecer opciones de volumen de resolución que oscilan entre 0,1 mm y 0,5 mm, según la aplicación.
• Los errores de muestreo disminuyen con tiempos de muestreo menores: un tiempo de muestreo mayor permite la acumulación de errores.
• Los errores de muestreo se pueden reducir utilizando períodos de integración de la tasa de precipitación mayores, ya que la distribución sobre períodos más largos es más robusta y confiable.

Sin embargo, muchas aplicaciones requieren una resolución temporal alta (p. ej., mm min^-1) y los instrumentos de cubeta basculante son susceptibles de errores de muestreo importantes cuando la tasa de precipitación es pequeña. Por ejemplo, esta gráfica muestra los datos de un instrumento de cubeta basculante con un volumen de resolución de 0,25 mm que capta la lluvia a un ritmo constante de 0,1 mm h^-1 durante un período de 6 horas. Suponiendo que inicialmente la cubeta esté vacía, el primer vuelco debería ocurrir 2,5 horas después del comienzo de la lluvia, volcarse otra vez 2,5 horas más tarde, registrando 0,25 mm cada vez, y luego no producir un tercer vuelco porque cuando el evento termina a la hora 6 la cubeta contiene 0,1 mm de lluvia, una cantidad insuficiente para iniciar la oscilación del balancín.

Ilustración de un caso de lluvia continua que dura 6 horas y produce una tasa de precipitación de 0,1 mm h^-1. Los sectores sombreados indican una tasa de precipitación desconocida. El primer vuelco de la cubeta ocurre 2,5 horas después del comienzo del evento, pero la lluvia podría haber comenzado en cualquier momento antes. La lluvia después del segundo vuelco no se registra hasta que se acumulen 0,25 mm (0,01 in).

Esto significa que en ausencia de un dato independiente del momento en que comienza la lluvia se podrían registrar 0,25 mm de lluvia en 2,5 horas. Con una estimación de la hora de inicio y fin del evento y la suposición de una tasa de lluvia constante podríamos inferir que cayeron 0,61 mm de lluvia en el transcurso de un período de 6 horas. No sería posible obtener mediciones en milímetros por minuto sin incurrir en un error grande.

Medición: pluviómetros de captación » Errores en la precipitación y correcciones para los pluviómetros de captación » Preguntas

Medición: conteo de las gotas

Si bien la gran mayoría de los pluviómetros son de los tipos manuales o registradores sencillos antes descritos, existen pluviómetros automáticos capaces de contar las gotas individuales. Algunos emplean un contador óptico para contar las gotas que salen por el pico del embudo. Otros funcionan generando imágenes digitales de los hidrometeoros o grabando sus impactos en una placa. Los instrumentos de este tipo se conocen como disdrómetros.

Ejemplo de un volumen fotografiado con un disdrómetro de video. Los disdrómetros de video son capaces de distinguir las gotas de líquido de los granos de hielo y los copos de nieve.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros

El disdrómetro es un instrumento para medir la distribución de tamaños de las gotas y la velocidad de los hidrometeoros que caen. La cantidad y la intensidad de precipitación se determinan midiendo el tamaño de las partículas de precipitación individuales y acumulándolas para un determinado período de tiempo. Algunos disdrómetros pueden distinguir entre lluvia, graupel, granizo y cristales de hielo. Estos instrumentos se emplean en aplicaciones de control de tránsito, examen científico, sistemas de observación en aeropuertos e hidrología. La nueva generación de disdrómetros emplea tecnologías de microondas o láser. Por ejemplo, un disdrómetro 2D con cámara de video puede medir gotas de lluvia y copos de nieve individuales.

Gráfica de la velocidad de caída de las gotas en función de su diámetro.

Recuerde que la tasa o intensidad de precipitación es el flujo de los hidrometeoros que precipitan a través de una superficie horizontal. De acuerdo con Rogers y Yau (2006), la tasa de precipitación (TP) se mide en función del flujo volumétrico de la precipitación, que se expresa en m³m^-2s^-1. Dado que los disdrómetros son capaces de determinar la distribución de tamaños de las gotas y su velocidad de caída, podemos calcular la tasa de precipitación mediante esta ecuación:

,

donde N(D) es la función de distribución de tamaños de las gotas, D es el diámetro de la gota y u(D) es la velocidad terminal de caída de los hidrometeoros de tamaño D. La cantidad de precipitación (CP) es independiente de la velocidad de caída y se puede obtener mediante la ecuación

,

donde ρ_L representa la densidad del líquido.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros de impacto

Los disdrómetros de impacto, que pueden ser acústicos o mecánicos, detectan los impactos de las gotas de lluvia y las piedras de granizo individuales sobre una placa piezoeléctrica. El sensor transforma el momento mecánico de los impactos de las gotas en pulsos eléctricos. La amplitud de cada pulso es aproximadamente proporcional al momento mecánico de la gota. Los voltajes individuales registrados a lo largo de un intervalo de tiempo indican la intensidad de precipitación y la suma a lo largo del tiempo corresponde a la precipitación acumulada.

Animación conceptual del funcionamiento de un disdrómetro acústico.

Los sensores de impacto tienen una resolución temporal alta y no requieren mantenimiento. No se ven afectados por pérdidas por humectación, evaporación, obstrucción o salpicadura y pueden detectar el granizo. Los sensores de impacto acústicos tienden a subrepresentar las lluvias ligeras, la nieve y la acumulación producida por la neblina.

El sistema acústico de este sensor de impacto mide la lluvia y el granizo que caen transfiriendo una señal acústica a una placa piezoeléctrica al producirse el impacto de un hidrometeoro. Este instrumento viene con sensores para medir la presión, temperatura y humedad (PTH) y datos de vientos.

Los disdrómetros de impacto acústicos se deben instalar en un ambiente silencioso a fin de evitar los ruidos. Los vientos fuertes producen turbulencia en los bordes del sensor que pueden llegar a ser una fuente de error. Una manera de eliminar el error provocado por el viento consiste en nivelar la parte superior del sensor respecto de su entorno.

Serie temporal de la intensidad de precipitación (mm/h) obtenida en la Universidad de Millersville con un transmisor meteorológico Vaisala WXT530 y un disdrómetro de impacto acústico.

Los disdrómetros de impacto mecánicos o de desplazamiento llevan más de 50 años utilizándose. Estos instrumentos convierten en pulsos eléctricos la energía cinética transferida a la superficie del disdrómetro por las gotas incidentes. Encontrará una descripción de las técnicas de medición con el disdrómetro en Kathiravelu et al. (2016).

Animación conceptual del funcionamiento de un disdrómetro mecánico.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros de radar doppler

Para medir la cantidad y la tasa de precipitación, los disdrómetros de radar doppler utilizan un radar de 24 GHz apuntado en sentido vertical. Estos instrumentos miden la velocidad doppler media de la población de hidrometeoros presente en un volumen. La velocidad vertical medida es una combinación de la velocidad de caída de las partículas y la velocidad vertical del viento. Cerca del suelo, la velocidad vertical del viento se puede suponer cercana a cero. La cantidad y tasa de precipitación se calculan sobre la base de la relación teórica que existe entre el tamaño de las gotas y su velocidad terminal de caída. Este enfoque es bastante confiable para las gotas líquidas, pero en general no funciona para las precipitaciones heladas, porque debido a variaciones complejas en la forma y densidad de las partículas la velocidad terminal de caída no se correlaciona necesariamente con su masa. Los disdrómetros de radar doppler son capaces de estimar el tamaño de las gotas de entre 0,3 y 5,0 mm. Estos sensores de respuesta rápida y alta resolución (0,01 mm) son particularmente eficaces para informar con precisión del inicio de los eventos de precipitación. Tienen costos de operación y mantenimiento bajos y no precisan calibración. Se debe especificar la altitud del radar, porque la velocidad de caída varía en función de la densidad atmosférica y, por tanto, de la altitud.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros ópticos

Los disdrómetros ópticos detectan automáticamente la precipitación que atraviesa una hoja de luz y utilizan esta información para determinar la cantidad e intensidad de lluvia. Este instrumento transmite un haz infrarrojo a través de un volumen de muestra de hidrometeoros que un aparato receptor registra como ocultaciones o sombreados inducidos por la precipitación para calcular la tasa de precipitación instantánea.

Esquema de un disdrómetro óptico.

Para obtener la intensidad de precipitación se requiere una medición de la velocidad de caída (u(D)), que se puede determinar directamente a partir del tiempo que tarda una gotita en atravesar la hoja de luz, como se ilustra en esta animación.

Animación conceptual de la ocultación o sombreado que ocurre cuando un hidrometeoro atraviesa el fino haz de luz horizontal (hoja de luz) de un disdrómetro óptico.

Esta foto muestra la instalación de dos disdrómetros ópticos Parsivel² en un buque.

Dos disdrómetros ópticos Parsivel² instalados en un buque.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros ópticos » Detectores del tiempo presente

Los sensores de detección del tiempo presente son disdrómetros de láser visible o infrarrojo que utilizan técnicas de dispersión frontal o de ocultación para identificar los tipos de precipitación y evaluar la visibilidad. Los sensores de detección del tiempo presente se utilizan ampliamente en las estaciones meteorológicas automáticas de aeropuertos y en las redes de los servicios de información meteorológica vial. Una instalación típica integra un sensor de detección del tiempo presente con otros instrumentos meteorológicos y de visibilidad, como se ilustra en esta imagen.

Instalación típica de un sensor de visibilidad de dispersión frontal con un sensor óptico lineal de detección del tiempo presente como parte del instrumental meteorológico convencional de una estación del sistema automatizado de observación en superficie (Automated Surface Observing System, ASOS) en Lovelock, Nevada (EE. UU.). En las estaciones ASOS, el sensor de dispersión frontal mide la visibilidad, mientras que el sensor lineal mide el tipo de precipitación.

Si bien existen instrumentos con algoritmos sofisticados capaces de identificar el tipo de precipitación, los detectores del tiempo presente instalados en los sistemas automatizados de observación en superficie (Automated Surface Observing System, ASOS) de los aeropuertos de EE. UU. no son capaces de informar automáticamente de precipitaciones mixtas, llovizna, llovizna helada, granos de hielo o granizo.

Sensores ópticos de detección del tiempo presente de dispersión frontal (izquierda) y lineal (derecha).

Existen dos tipos de sensores de detección del tiempo presente: los de dispersión frontal y los lineales.

Los sensores de detección del tiempo presente de dispersión frontal suelen utilizarse para medir la visibilidad e identificar el tipo de precipitación. En estos instrumentos, el transmisor y el receptor están orientados hacia abajo a un ángulo agudo respecto del plano horizontal (foto en la izquierda). Estos sensores tienen un bajo costo de funcionamiento, requieren poco mantenimiento y son confiables a temperaturas entre -40 y +60 °C. Estos instrumentos son más comunes que los sensores lineales de detección del tiempo presente.

Los sensores lineales suelen utilizarse para identificar los tipos de precipitación. El transmisor y el receptor de estos instrumentos están a nivel con el plano horizontal y enfrentados directamente el uno con el otro (foto en la derecha). Estos sensores funcionan de forma similar a los demás disdrómetros ópticos descritos en una sección anterior.

Medición: conteo de las gotas » Disdrómetros ópticos » Disdrómetros de video

Los disdrómetros de video son útiles para distinguir hidrometeoros de varias formas y dimensiones, especialmente los copos de nieve, que muchos otros disdrómetros no pueden detectar. El disdrómetro de video se basa en el principio de que un objeto que atraviesa el área definida por la sección transversal de dos haces de luz se puede transformar en una imagen a fin de identificar su tamaño, velocidad, forma, tipo de cristalización, etc. A partir de esta información, es posible determinar la cantidad e intensidad de la precipitación.

Dibujo conceptual de un disdrómetro de video.

La cámaras están levemente desplazadas en la vertical, lo cual permite determinar la velocidad terminal de caída. La velocidad terminal y el volumen de las gotas que atraviesan el área de sección transversal de las trayectorias ópticas permiten calcular la tasa de precipitación.

Esta foto muestra un disdrómetro de video instalado en el sitio de pruebas de NCAR en Marshall Field, cerca de Boulder, Colorado.

Disdrómetro de video instalado en el sitio de pruebas de NCAR en Marshall Field, cerca de Boulder, Colorado. El instrumento se encuentra en la columna baja que tiene el techo verde abierto, a la derecha.

Medición: conteo de las gotas » Preguntas

Medición: conteo de las gotas » Errores de los disdrómetros y correcciones

Comparación de la lluvia total por evento medida con a) un disdrómetro Joss–Waldvogel y b) el disdrómetro de video bidimensional (UI 2DVD) de la Universidad de Iowa con la lluvia total medida con pluviómetro estándar.

Los disdrómetros son susceptibles de errores provocados por muestreo insuficiente, variaciones en el tamaño de las gotas, limitaciones del instrumento (p. ej., resolución y sensibilidad) y factores ambientales como los efectos del viento (Cao y Zhang, 2009). Es importante obtener mediciones concurrentes de la velocidad y dirección del viento, ya que estos aspectos influyen en la cantidad de precipitación medida debido a sus efectos preferenciales en la distribución de tamaños de las gotas y la velocidad de caída de las gotas que atraviesan la hoja de luz o inciden en el instrumento.

Medición: conteo de las gotas » Errores de los disdrómetros y correcciones » Disdrómetros de impacto

Los disdrómetros de impacto dependen de la capacidad del sensor de precipitación para detectar los impactos de las gotas de lluvia individuales. Uno de los errores más grandes que ocurren con los disdrómetros mecánicos es producto de la resonancia tras el impacto de una gota grande, que impide la detección de las gotas pequeñas subsiguientes, como en este ejemplo.

Ejemplo de reverberaciones en la señal detectada con un disdrómetro de impacto. Las reverberaciones pueden ocultar los impactos de varias gotitas.

Las señales provenientes de fuentes que no sean la lluvia o el granizo, como los truenos y otros ruidos fuertes, se pueden eliminar con técnicas avanzadas de filtrado.

Todos los disdrómetros mecánicos se caracterizan por una menor sensibilidad a las gotas pequeñas. La pérdida de eventos puede ser el resultado de fricción en las bobinas magnéticas, ruido en los disdrómetros acústicos o un umbral bajo en los sensores de impacto piezoeléctricos. A veces esto puede provocar muestreos muy insuficientes o distribuciones de tamaños de gotas truncadas.

Varios estudios han comparado los disdrómetros de impacto con los disdrómetros ópticos o de video. En su estudio, Tokay et al. (2001) hallaron que ambos tipos de disdrómetros subestiman la cantidad de precipitación (lluvia total) en comparación con los pluviómetros y que este error es menor en el caso de los disdrómetros ópticos. Los autores concluyeron que los disdrómetros de impacto subestiman la lluvia total a razón del 18 % (±5 %) en comparación con los pluviómetros, mientras que los disdrómetros ópticos subestiman la lluvia total a razón del 12 % (±3 %).

Medición: conteo de las gotas » Errores de los disdrómetros y correcciones » Disdrómetros ópticos: error de área de muestreo

Los disdrómetros ópticos se ven afectados por errores de área de muestreo. Tanto la cantidad como la intensidad de precipitación se subestiman y no se corrigen para reflejar el área de muestreo efectiva. Dado que no podemos conocer el tamaño de las gotas que intersecan los haces en los bordes laterales, no se cuentan. Esto disminuye el área de muestreo efectiva a razón de un área que es proporcional al diámetro de las gotas. Cuanto más grandes sean, tanto mayor el área que no se cuenta. Por ejemplo, el haz del disdrómetro óptico de láser OTT Parsivel mide 30 mm de ancho. Una gota pequeña de 1 mm de diámetro solo reduce el área de muestreo efectiva en un 3 %. Por otra parte, una gota grande de 5 mm de diámetro reduce el área de muestreo efectiva a razón del 17 %.

Hoja de luz horizontal (líneas rojas) de 30 mm de ancho con una gota grande (5 mm) vista desde lo alto que ilustra las áreas de muestreo nominal y efectiva. Las gotas que intersecan los haces en los bordes de la hoja de luz no se cuentan, lo cual disminuye el área de muestreo efectiva a razón de un área proporcional al diámetro de la gota.

Medición: conteo de las gotas » Errores de los disdrómetros y correcciones » Disdrómetros ópticos: error de deformación de las gotas

Un disdrómetro óptico siempre mide la dimensión horizontal plana proyectada por las gotas, de modo que para derivar la intensidad de precipitación es preciso tener en cuenta la forma de las gotas. Como muestra la figura, cuanto mayor sea el diámetro de una gota, tanto más se achata. Las gotas más grandes desarrollan una cavidad que puede conducir a su desintegración. Suponer la esfericidad de las gotas conduce a la sobrestimación cada vez más mayor del volumen de las gotas de 4 mm o más grandes (Fernández-Raga et al., 2010).

Ilustración de la forma de gotas de 1 a 6 mm de diámetro en equilibrio basada en algoritmos que relacionan la forma de las gotas con su diámetro.

El método más común para determinar el volumen de las gotas consiste en aplicar una relación empírica entre el diámetro y el volumen. Los algoritmos más sencillos se basan en la proporción dimensional de longitud del eje a diámetro (p. ej., Beard y Chuang, 1987), pero existen formas más complejas (p. ej., Fernández-Raga et al., 2010).

Medición: conteo de las gotas » Errores de los disdrómetros y correcciones » Preguntas

Pregunta

Un disdrómetro óptico mide el radio (semieje mayor) de una gota de 4 mm. Se supone que la gota sea un esferoide achatado con un semieje menor de 3 mm.

El volumen viene dado por la expresión: V = π (semieje mayor)² (semieje menor)

El volumen de una esfera se calcula con esta ecuación: V = π r³

Calcule el error en el volumen provocado por la suposición de que la gota es esférica.

a) 4 %

b) 12 %

c) 25 %

d) 33 %

La respuesta correcta es d).

π (semieje mayor)² (semieje menor) = π (4 mm)² (3 mm).

Para una esfera, el volumen sería π (4 mm)³.

Una vez cancelados correctamente los términos iguales, [(4 mm)³ - (4 mm)² (3 mm)] el error es:

[64 - 48] / 48 = 0,33 = 33 %

Escoja una opción.

Medición de la nieve

La nieve fresca o reciente y la profundidad o espesor de la capa o manto de nieve y sus equivalentes en agua líquida constituyen algunos de los elementos meteorológicos más importantes y más difíciles de medir. La acumulación de nieve está más fuertemente influenciada por los vientos de superficie y el flujo de aire resultante alrededor de los dispositivos de medición que la precipitación líquida. Recolectar mediciones de nieve es una tarea difícil que se ve agravada por las diferencias de densidad —un aspecto muy variable— entre las diferentes formas de precipitación sólida (p. ej., copos de nieve individuales, agregados y escarchados, granos de hielo, etc.). Si bien podemos medir sistemáticamente un centímetro de profundidad de lluvia, la profundidad de nieve acumulada que produce un centímetro de agua líquida puede variar entre 5 y 30 centímetros. La profundidad de la nieve puede además verse afectada por varios procesos, como los de fusión, compresión, sublimación y otros más. En estas fotos, los esquiadores ilustran la gran diferencia que puede existir en las condiciones de la nieve.

Dos esquiadores ilustran la gran diferencia que puede existir en la densidad de la nieve.

Medición de la nieve » Definición de las mediciones

A diferencia de lo que ocurre con la lluvia, la nieve se acumula sobre el suelo y a menudo permanece en el lugar donde cayó por largos períodos, además de que puede verse afectada fuertemente por el viento. En consecuencia, las técnicas de medición de la nieve son muy diferentes de las que se emplean para medir la lluvia. Estas definiciones se aplican a la medición de la nieve que cae y de la profundidad de la nieve acumulada:

1. La nieve caída es la cantidad máxima de nieve fresca o reciente que cayó desde la medición anterior.
2. La tasa de acumulación de nieve es la tasa o intensidad de la nieve que cae medida en tiempo real.
3. La profundidad total del manto de nieve es el espesor total de la nieve y el hielo acumulados sobre el suelo; incluye la nieve reciente y acumulada previamente.
4. El contenido en agua líquida de la nieve caída o equivalente en agua de la nieve es el contenido de agua de la nieve que se acumuló desde la última observación.
5. El contenido en agua líquida del manto de nieve es el equivalente en agua de una columna de nieve medida obteniendo un testigo e incluye la nieve reciente y ya existente.
6. El equivalente en agua líquida o equivalente en agua es el contenido en agua correspondiente a la tasa de acumulación de nieve medida en tiempo real.

Las mediciones de «nieve caída», «profundidad total del manto de nieve», «contenido en agua líquida de la nieve caída» y «contenido en agua líquida del manto de nieve» suelen obtenerse con métodos manuales, mientras que la «tasa de acumulación de nieve» y el «equivalente en agua líquida» típicamente se obtienen con sistemas de medición automáticos.

Medición de la nieve » Mediciones manuales

Muchas organizaciones han establecido normas para obtener mediciones exactas y sistemáticas de la nieve, como el NWS en EE. UU. y AEmet en España, entre otras. Normalmente, los datos de las observaciones manuales obtenidos por o para el NWS se registran diariamente. La cantidad y frecuencia de las mediciones pueden variar en función de la estación de observación y del evento específico. Se considera mejor práctica medir la nieve reciente lo más cerca posible del final del evento, incluso si aún no ha terminado el período de observación oficial. Por ejemplo, cuando ocurran varios eventos de nieve en un mismo período de 24 horas, las mediciones se pueden efectuar después de cada uno de ellos. La suma de las cantidades acumuladas durante cada evento se puede usar para registrar la acumulación de nieve total. Algunas estaciones de observación, como las de los aeropuertos principales, requieren mediciones regulares a intervalos de 6 horas y en este caso la medición diaria de la nieve acumulada se obtiene sumando las observaciones realizadas.

Medición de la nieve » Mediciones manuales » Nieve caída

La nieve fresca o reciente se mide sobre una tabla de nieve o tablero nivométrico, una tabla sobre la cual se acumula la nieve, que se mide con una varilla graduada vertical. Estas tablas suelen medir 40 × 40 cm o más (la del ejemplo mide 2 × 2 pies, es decir, 60 × 60 cm) y la varilla permite registrar la altura de la nieve en centímetros y milímetros (la varilla en la foto está graduada en incrementos de 0,1 in, es decir, 2,5 mm). Esta tabla sencilla de madera pintada de blanco se coloca en un lugar nivelado y alejado de cualquier estructura u obstrucción que pudiera afectar los patrones del viento y, por lo tanto, la distribución de la nieve que cae. Después de medir la nieve acumulada, se quita toda la nieve de la tabla y se la coloca tabla en el suelo, encima de la capa de nieve, en preparación para la próxima observación.

Tabla de nieve y varilla graduada empleadas en las mediciones nivológicas del National Weather Service.

A veces no es fácil identificar el lugar más adecuado. Por ejemplo, la foto siguiente ilustra el lugar parcialmente protegido donde se colocó un tablero nivométrico a fin de reducir al mínimo los efectos del viento durante el estudio de un evento importante de nieve por efecto lago. Cuando resulte imposible evitar la redistribución de la nieve por la acción del viento, se miden las acumulaciones en varios puntos del área representativa —procurando evitar aquellos lugares donde se formen depresiones o montículos por arrastre y redistribución de la nieve— y se promedian las observaciones.

Encontrar el lugar más adecuado (es decir, más representativo) para un tablero nivométrico puede ser difícil. Esta foto muestra una tabla instalada en un claro de un bosque para estudiar un evento de nieve por efecto lago.

Medición de la nieve » Mediciones manuales » Profundidad total del manto de nieve

La profundidad total del manto de nieve, que incluye la acumulación total de nieve, aguanieve y hielo, se sigue midiendo mientras haya nieve en el suelo. Aunque estas mediciones se pueden obtener con la misma varilla empleada para medir la nieve acumulada sobre el tablero nivométrico, si interviene una capa de hielo puede resultar difícil introducirla hasta el suelo. También se puede utilizar una estaca para medir la profundidad de la nieve instalada de forma permanente. Normalmente, la profundidad total del manto de nieve se mide en varios lugares dentro de un radio de 100 metros de la estación de observación oficial y luego se promedian los resultados para obtener un valor representativo. Para obtener información sobre la tasa de nieve caída durante una nevada, se mide la profundidad total del manto de nieve con una frecuencia hasta horaria.

Un observador mide la profundidad total del manto de nieve.

Medición de la nieve » Mediciones manuales » Contenido en agua líquida de la nieve caída

El contenido en agua líquida de la nieve caída se mide solo una vez al día si nevó durante las 24 horas precedentes. Sin embargo, estas mediciones se pueden tomar con menor frecuencia, de diaria a semanal.

El contenido en agua líquida de la nieve caída se puede medir de varias maneras. Si hay un pluviómetro manual instalado cerca de un tablero nivométrico, antes de que comience a nevar se quitan tanto el embudo como el cilindro interno del instrumento, como se muestra en la foto.

Un observador prepara un pluviómetro estándar para la recolección de nieve quitándole el embudo y el cilindro interno.

Cuando termine el evento, se transfiere el pluviómetro a un ambiente interior, se deja que la nieve se derrita y luego se mide la profundidad del líquido como si se tratara de lluvia. Para acelerar el proceso de medición se puede derretir la nieve captada utilizando el cilindro interno del instrumento para agregarle una cantidad conocida de agua caliente; luego, se mide el nivel de agua total y se resta la cantidad de agua agregada para obtener el contenido en agua líquida de la nieve caída.

Alternativamente, en lugar de medir la nieve captada por el pluviómetro puede obtener un testigo de nieve con el cilindro del instrumento: invierta el cilindro sobre el tablero nivométrico u otra superficie y empuje directamente hacia abajo hasta la superficie plana (como se muestra en la foto). Para obtener el testigo, pase un objeto sólido y no demasiado grueso, como una lámina de aluminio, por debajo del cilindro invertido. Es importante escoger un lugar representativo que no presente depresiones o montículos formados por el arrastre y redistribución de la nieve por el viento. Para minimizar las pérdidas por fusión y sublimación de la nieve, conviene obtener la muestra poco después del evento.

Medición manual del equivalente en agua de la nieve: se obtiene una muestra invirtiendo el cilindro del pluviómetro y empujándolo hacia abajo hasta la base de la tabla de nieve. El equivalente en agua se mide después de derretir la nieve recogida con el cilindro.

Independientemente del método empleado para obtener la muestra, si se pesa el pluviómetro antes y después, la diferencia corresponde a la masa de nieve captada. Si la masa de nieve se mide en kilogramos y el área del orificio del pluviómetro se especifica en metros cuadrados, una simple división permite determinar el equivalente en agua de la nieve en kg m^-2. En un apartado anterior vimos que la precipitación medida en kg m^-2 equivale a la profundidad líquida en milímetros.

Medición de la nieve » Mediciones manuales » Contenido en agua líquida del manto de nieve

Para medir el contenido en agua líquida del manto de nieve se puede obtener un testigo empleando métodos similares a los que describimos para la nieve caída, pero en este caso la muestra debe extenderse hasta el suelo a fin de medir la profundidad total del manto de nieve, no solo la nieve más reciente. Sin embargo, obtener una muestra de este tipo puede ser difícil si se han formado capas de hielo o si el manto de nieve es profundo.

Para medir capas de nieve profundas se emplean herramientas diseñadas especialmente para perforar el manto de nieve, como la que se muestra en la figura. El equivalente en agua de la nieve se calcula a partir del peso del testigo de nieve.

Equipo para medir el equivalente en agua de un manto de nieve profundo.

Medición de la nieve » Mediciones manuales » Preguntas

Medición de la nieve » Mediciones automáticas

Medición de la nieve » Mediciones automáticas » Equivalente en agua líquida

Como muestra esta animación, el equivalente en agua líquida es el contenido de agua de la nieve acumulada medida en tiempo real. Para obtener este dato, la tasa de acumulación de nieve y el equivalente en agua suelen medirse exclusivamente con instrumentos automatizados.

Animación de la medición del equivalente en agua líquida de la nieve con un pluviómetro de cubeta basculante calentado.

En principio, un nivómetro es simplemente un pluviómetro diseñado para captar las formas sólidas de precipitación y medir la profundidad equivalente en agua líquida o la tasa de precipitación. Dado que la mayoría de los nivómetros pueden medir tanto las precipitaciones líquidas como sólidas, se pueden usar en cualquier condición atmosférica. Un ejemplo de este tipo de instrumento es el OTT Pluvio, que es capaz de medir la precipitación y convertirla en un valor equivalente en agua líquida. Otro instrumento común es el GEONOR T-200b. En este, el colector está suspendido por hasta tres alambres vibratorios. A medida que las precipitaciones caen el recipiente, se produce un cambio en la tensión de los alambres que altera la frecuencia de vibración. Este cambio de frecuencia lo largo del tiempo es directamente proporcional al equivalente en agua líquida de la tasa de acumulación de nieve. Ambos instrumentos suelen calcular la tasa de precipitación cada minuto y pueden medir un equivalente en agua líquida mínimo de 0,1 mm/h.

Para obtener mediciones invernales con los pluviómetros GEONOR y Pluvio se agrega anticongelante al colector, lo cual derrite las precipitaciones sólidas. Es además posible agregar una capa fina de aceite para impedir la evaporación. También se puede calentar el borde de estos instrumentos a fin de evitar la acumulación de hielo o nieve, ya que tales acumulaciones impiden la entrada de la nieve en el orificio y llevan a subestimar las mediciones del equivalente en agua líquida.

Ya mencionamos los pluviómetros de cubeta basculante calentados, que son capaces de medir el equivalente en agua líquida de las precipitaciones sólidas. Estos instrumentos derriten las precipitaciones sólidas en el embudo y el líquido resultante se registra como en cualquier pluviómetro de cubeta basculante para lluvia. Cuando se calienta un pluviómetro, hay que evitar la formación de corrientes cálidas por encima del instrumento, ya que pueden afectar las trayectorias de las partículas de precipitación. Como regla general, se recomienda no calentar el instrumento a más que 2 °C. El uso de un pluviómetro de cubeta basculante calentado para medir la nieve caída puede presentar ciertos problemas, como el congelamiento del mecanismo basculante y el congelamiento del agua en el fondo del instrumento una vez que la cubeta la descargue, lo cual a la larga puede pegar el colector al fondo del instrumento. En general, no se recomienda usar instrumentos de cubeta basculante para medir las precipitaciones heladas.

Las mediciones de la tasa de acumulación del equivalente en agua líquida tienen aplicaciones importantes, especialmente en el sector de transporte. Por ejemplo, las operaciones aeroportuarias y de eliminación de nieve de las redes viales se llevan a cabo de manera distinta según se trate de nieve ligera y esponjosa (con un contenido de agua relativamente bajo) o de nieve húmeda y muy pesada.

Medición de la nieve » Mediciones automáticas » Errores en la precipitación helada

La precipitación engelante y la nieve pueden acumularse en el borde del embudo receptor o adherir a la pared externa del cilindro de recolección. Esto deforma el diámetro del orificio y puede llegar a obturarlo, lo cual conduce a errores de medición. Se pueden instalar calentadores para aumentar la temperatura del borde a 2 °C, lo suficiente para derretir la nieve y el hielo que podrían acumularse, pero sin provocar corrientes térmicas que podrían interferir con la captación de los hidrometeoros pequeños o menos pesados.

Nieve acumulada en el borde de un pluviómetro estándar.

Medición de la nieve » Mediciones automáticas » Preguntas

Medición de la nieve » Mediciones automáticas » Tasa de acumulación de nieve

La tasa de acumulación de nieve es la intensidad de nieve medida en tiempo real, mientras cae. De forma análoga al equivalente en agua líquida, suele medirse exclusivamente con instrumentos automatizados. Si bien es posible realizar mediciones manuales frecuentes de la nieve caída, en muchos casos esto no resulta práctico, especialmente por la noche o en condiciones adversas. Las mediciones de alta frecuencia de la profundidad de la nieve generadas por los sensores ultrasónicos de profundidad registran la tasa de acumulación de nieve.

Fotos de un sensor ultrasónico de profundidad de la nieve.

Los sensores ultrasónicos de profundidad de la nieve incorporan un transductor que dirige una serie de clics ultrasónicos hacia la superficie de la nieve, la cual los refleja de vuelta hacia el transductor, que las recibe y registra el tiempo de viaje correspondiente. La distancia hasta la nieve se puede calcular sobre la base de la velocidad del sonido. Puesto que la velocidad del sonido cambia con la temperatura del aire, el sensor de profundidad también mide ese parámetro, lo cual permite aplicar la corrección de temperatura necesaria a las mediciones. La profundidad de la nieve se calcula restando la distancia medida hasta la nieve de la distancia conocida hasta el suelo. Si el manto de nieve debajo del sensor es irregular pueden surgir problemas con las mediciones, de modo que conviene instalar estos sensores en lugares donde la posibilidad de que se forme una capa de nieve dispareja sea mínima.

Las mediciones de un sensor de profundidad se pueden combinar con las de un sensor de equivalente en agua líquida a fin de determinar la densidad de la nieve y la proporción de nieve a agua. Típicamente, se supone una proporción de 10:1 (10 cm de nieve producen 1 cm de agua), pero en climas muy fríos pueden darse proporciones mucho mayores, hasta de 50:1 o más. Cuando la temperatura está cerca de 0 °C, la proporción puede aproximarse a 1:1.

Medición de la nieve » Medición automática de la nieve » Preguntas

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve

El problema más común relacionado con el uso del pluviómetro para medir la nieve es el impacto adverso del viento. Ya presentamos este tema en relación con el uso del pluviómetro para captar la lluvia, pero los impactos son más severos en el caso de la nieve que con la precipitación líquida. Debido a su menor densidad, que además es más variable, la velocidad terminal de los cristales y los agregados de nieve es considerablemente menor que la de gotas líquidas de dimensiones similares. En comparación con las gotas de lluvia de 0,5 a 5 mm de diámetro, cuya velocidad terminal oscila entre 2 y 9 m s^-1, los copos o agregados de nieve de dimensiones similares alcanzan velocidades terminales de tan solo 0,5 a 1,5 m s^-1. Esto significa que los copos de nieve que caen con un viento en superficie de 5 m s^-1 se transportan mucho más lejos en el sentido horizontal que las gotas de agua. La desviación de los copos y agregados de nieve por acción del viento puede ser significativa y, en última instancia, puede reducir la cantidad total de partículas captadas por el instrumento, como un pluviómetro, y producir incertidumbres considerables en la medición de la nieve caída. Para mitigar este problema, se han desarrollado sistemas de protección del viento —paravientos o pantallas— que rodean el instrumento. Estos sistemas contribuyen a disminuir la velocidad del viento y permitir que la nieve caiga más verticalmente, lo cual aumenta la eficiencia de captación del instrumento. En las secciones siguientes se describen algunas de las pantallas de uso más difundido.

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve » Pluviómetro de Tretyakov

Los pluviómetros manuales equipados con la pantalla de protección del viento de Tretyakov —que se caracteriza por una estructura metálica rígida— se conocen como pluviómetros de Tretyakov. La combinación de un pluviómetro de Tretyakov con una doble cerca o valla de protección (que se describirá más adelante) representó el estándar de medición manual de la precipitación en buena parte de Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) desde fines de la década de 1950 y su funcionamiento se ha documentado para una amplia gama de condiciones atmosféricas (Goodison et al., 1998; Yang et al., 1993).

Pluviómetro manual con la pantalla de protección de Tretyakov. El conjunto de pantalla y pluviómetro se conoce como pluviómetro de Tretyakov.

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve » Paravientos de Alter

El paravientos de Alter consiste en un círculo de deflectores metálicos del viento, normalmente de acero galvanizado, montados verticalmente sobre una barra circular de aluminio. Los deflectores pueden moverse, lo cual contribuye a minimizar la acumulación de nieve sobre ellos. Típicamente, la pantalla mide 1,20 m de diámetro y se instala de modo que la parte superior esté a una altura de entre 10 y 25 mm por encima del borde del instrumento. En comparación con otros tipos de pantallas, estos paravientos son poco costosos y en los EE. UU. se utilizan ampliamente; no obstante, son menos eficientes que otros tipos de protección del viento.

Izquierda: paravientos de Alter instalado alrededor de un pluviómetro manual. Derecha: paravientos de Alter doble instalado alrededor de un pluviómetro automático GEONOR T-200b.

El paravientos de Alter doble se caracteriza por una segunda pantalla circular que rodea un paravientos de Alter estándar. Con la segunda pantalla, que mide aproximadamente 2,40 m de diámetro, se obtienen tasas de captación mayores que con un solo paravientos de Alter. La parte superior de la estructura exterior se debe instalar a una altura de 15 cm por encima de la parte superior del instrumento.

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve » Referencia de intercomparación de doble cerca (RIDC) y matorral natural

La referencia de intercomparación de doble cerca (RIDC) se compone de un pluviómetro de Tretyakov (o un instrumento similar con paravientos de Alter) instalado en el centro de dos cercas o vallas octagonales, de 4 y 12 metros de diámetro, respectivamente. La separación de los listones de las cercas, que se orientan en sentido vertical, debe producir una porosidad del 50 %, lo cual ofrece una protección adecuada contra el viento sin impedir del todo el movimiento del aire.

Sistema de protección del viento de un pluviómetro de referencia de intercomparación de doble cerca (RIDC) instalado en Niwot Ridge, Colorado (EE. UU.).

El Comité Internacional de Organización (CIO) del experimento de intercomparación de la precipitación sólida (Solid Precipitation Intercomparison Experiment, SPICE) de la OMM (Goodison et al., 1998) recomendó diseñar sistemas de pantalla RIDC con un pluviómetro de Tretyakov en matorral natural como referencia para la medición manual de la precipitación sólida. Sin embargo, este tipo de instalación puede resultar difícil de mantener, especialmente en zonas que no son aptas para el cultivo de un matorral natural. Dado que los sistemas RIDC que no incorporan matorral en su diseño tienen una eficiencia de captación de la nieve seca superior al 90 % con vientos de 5 m s^-1 a la altura del pluviómetro y superior al 85 % con vientos de 8 m s^-1, el sistema RIDC sin matorral natural se considera una alternativa aceptable.

Pluviómetro de Tretyakov con sistema RIDC en matorral natural.

El experimento SPICE se llevó a cabo en nombre de la OMM a fin de establecer una referencia para la nieve caída en relación con los pluviómetros automatizados. Los resultados del experimento determinaron que el estándar de medición de la nieve caída con pluviómetros automatizados (como los OTT Pluvio o GEONOR T-200b) debe incluir un paravientos de Alter circundado por una pantalla RIDC y a este sistema se le dio el nombre de referencia automatizada de doble cerca (RADC) (Yang et al., 1993).

Hay que tener cuidado al usar como referencia los datos de los sistemas RIDC y RADC obtenidos durante episodios de vientos fuertes, ya que la eficiencia de captación sufre un sesgo positivo al recoger nieve de ventisca (es decir, aquella que ya cayó y fue levantada del suelo por el viento). Las dimensiones de estas configuraciones constituyen una desventaja, además de que su instalación es costosa y requieren mantenimiento anual. Una versión más pequeña del sistema RIDC (la RIDC pequeña), que tiene dimensiones aproximadamente un tercio menores, capta entre el 80 y el 90 % de la precipitación que captaría un sistema RIDC regular con vientos de 6 m s^-1. La red de referencia climática de los EE. UU. utiliza estos paravientos.

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve » Comparación de paravientos

Estas gráficas muestran datos de comparación de varios paravientos. En comparación con el flujo del viento ambiental, los pluviómetros con sistemas de protección RIDC, RIDC pequeña (RIDC_p) y para vientos de Alter doble (Alter_d) registran disminuciones considerables en la velocidad del viento a la altura del instrumento. La disminución de la velocidad del viento es mucho menor en el caso del instrumento de un solo paravientos (Alter_s).

Reducción de la velocidad del viento en el centro de varios tipos de paravientos medida con un anemómetro sónico. La velocidad del viento se adimensionalizó respecto del valor de corriente libre a la altura del instrumento.

La gráfica siguiente muestra la relación entre la razón de captación de la nieve y la velocidad del viento para cinco pluviómetros manuales con y sin paravientos. La razón de captación de la nieve disminuye conforme la velocidad del viento aumenta. Sin embargo, dicha disminución no es lineal y este factor representa un reto a la hora de derivar ecuaciones que permitan corregir adecuadamente la captación insuficiente de nieve caída provocada por el viento. Los errores sistemáticos mayores se asocian a los pluviómetros sin ningún sistema de protección.

Gráfica de la razón de captación en función del viento sobre la base de ecuaciones de regresión de mejor ajuste para la nieve.

Medición de la nieve » Impactos del viento en las mediciones de nieve » Preguntas

Acumulación equivalente en agua líquida registrada en cuatro pluviómetros durante un episodio de nieve ocurrido en el campo de pruebas Marshall Field de NCAR.

Medición de la nieve » Mediciones del manto de nieve

Es frecuente tener que medir la profundidad o espesor total del manto de nieve y el equivalente en agua en lugares remotos, donde puede ser difícil obtener mediciones a intervalos regulares con métodos y de tipos tradicionales. En las regiones donde el manto nivoso se acumula todo el año y en zonas realmente remotas puede resultar difícil e incluso peligroso realizar las mediciones en persona. En el oeste de los EE. UU. muchas zonas son susceptibles de aludes o avalanchas de nieve, como el ejemplo de la foto siguiente. Si bien es posible instalar sensores de la profundidad de la nieve y nivómetros automáticos, los requisitos de mantenimiento a lo largo del invierno limitan su uso generalizado. Debido al poco mantenimiento que requieren, los colchones nivométricos se han transformado en una clase de sensores de uso muy difundido para medir el manto de nieve.

Avalancha en el cañón de Provo, Utah, EE. UU.

Medición de la nieve » Mediciones del manto de nieve » Colchón nivométrico

Un colchón nivométrico es un sensor que mide la presión que ejerce la masa de nieve suprayacente para estimar el equivalente en agua del manto de nieve. A diferencia de las observaciones manuales, que pueden incluir semanas sin información actualizada sobre el manto nivoso, los colchones nivométricos permiten recibir datos automatizados sobre las masas de nieve peligrosas que se acumulan en lugares remotos.

Los colchones nivométricos suelen ser una combinación de varias capas envolventes de acero inoxidable o caucho sintético que se inflan con aire o se llenan de una solución anticongelante. El peso de la nieve que se acumula sobre el colchón produce una presión que se mide y se convierte en un valor de profundidad equivalente en agua. Los instrumentos tienen una precisión de hasta 2,5 mm.

Un típico colchón nivométrico mide 9 m², lo suficientemente grande para reducir al mínimo la formación de puentes de nieve y la subestimación que provocan en los datos de nieve. Este fenómeno ocurre cuando la nieve que está en contacto con el colchón nivométrico se derrite más rápidamente que la nieve en el suelo circundante y se forma un espacio vacío entre el colchón y la nieve suprayacente (Johnson y Schaefer, 2002). Estos puentes de nieve reducen la presión en el colchón nivométrico y causan la subestimación del manto de nieve, especialmente si una costra de hielo o de nieve compactada soporta el peso de la nieve encima del colchón.

Es frecuente instalar los colchones nivométricos cerca de otro instrumental. La foto siguiente muestra los instrumentos de un típico sistema de telemetría de nieve o SNOTEL (Snow Telemetry), que incluye sensores de viento y temperatura, así como un pluviómetro. Las estaciones SNOTEL son sistemas de detección automatizados diseñados específicamente para medir las propiedades del manto nivoso y se instalan en las regiones montañosas del oeste de los Estados Unidos.

Estación de recolección de datos automatizada SNOTEL.

Se pueden instalar colchones nivométricos más pequeños (p. ej., de 1 m²) en techos y azoteas para estimar el peso total de la nieve, un dato que puede indicar la posibilidad de colapso de la estructura.

También existen colchones nivométricos sin fluido. El diseño modular y ligero de estos modelos significa que son más rápidos y más fáciles de instalar en el campo.

Medición de la nieve » Mediciones del manto de nieve » Preguntas

Emplazamiento y exposición

El objetivo primario de todas las mediciones meteorológicas es que sean representativas del entorno que pretenden caracterizar. Debido a la variabilidad local de la precipitación, la representatividad es especialmente importante a la hora de instalar un pluviómetro. Para lograr mediciones representativas a través de un área de interés, es además esencial instalar un número suficiente de instrumentos.

El Servicio Nacional de Meteorología (National Weather Service, NWS) de los EE. UU. publica normas para el emplazamiento apropiado de los pluviómetros. Por ejemplo, los estándares de emplazamiento y exposición (Site and Exposure Standards, en inglés) del NWS para las cooperativas de observadores indican que:

Diagrama de regla empírica geométrica: ningún objeto debe proyectarse a más de 30 grados por encima del horizonte del pluviómetro.

Nota: los emplazamientos de las cooperativas de observadores no suelen incorporar paravientos para los pluviómetros.

Para fines de mantenimiento, es buena idea colocar el pluviómetro en un lugar que los observadores puedan alcanzar en cualquier época del año.

No hay ninguna altura establecida para el orificio de captación de los pluviómetros. La altura de los pluviómetros en más de 100 naciones oscila entre 50 y 150 cm (OMM, 1989). El aspecto más importante es que la altura del orificio sea tal que el instrumento no se vea afectado por las salpicaduras de lluvia y minimice los impactos de la nieve levantada por el viento. Se debe instalar un paravientos alrededor de cualquier pluviómetro instalado en un lugar que experimente viento entre moderado y fuerte y de todos los pluviómetros usados para medir la nieve caída.

Los errores sistemáticos provocados por un mal emplazamiento se manifiestan principalmente como errores provocados por la acción del viento. Si el lugar no está despejado de obstrucciones en todas las direcciones, se registrará un sesgo en los datos de precipitación, especialmente los de nieve caída, provocado por el viento proveniente de la dirección con el obstáculo. Si solo hay un pluviómetro en la zona, puede resultar difícil o imposible detectar este efecto del viento en las mediciones de precipitación. El problema puede empeorar con los cambios estacionales (p. ej.: debido a la presencia de hojas en los árboles en verano, que no constituyen un problema en invierno) en la dirección de la zona de alcance del viento, que pueden conducir a un sesgo en la normal climatológica de precipitación para la estación.

Debido a la sensibilidad de las mediciones de precipitación al emplazamiento y la exposición del instrumento, es esencial contar con metadatos que describan el sitio para asegurar la calidad de los datos y mantener datos de estudios longitudinales.

Emplazamiento y exposición » Preguntas

Pregunta

¿Qué valor de altura no deben superar las obstrucciones alrededor de un pluviómetro?

a) La mitad de la distancia al instrumento

b) La distancia al instrumento

c) Dos veces la distancia al instrumento

La respuesta correcta es a).

La altura de la protección no debe superar la mitad de su distancia al instrumento.

Escoja una opción.

Resumen

La precipitación se define como todas las partículas acuosas en fase líquida o sólida que se originan en la atmósfera y caen a la superficie terrestre. Los pluviómetros estándar y de cubeta basculante expresan la precipitación en términos de profundidad lineal (volumen/área). Los pluviógrafos de pesada miden el peso, lo convierten en kg m^-2 (masa/área) y registran la profundidad lineal tomando en cuenta la densidad del agua.

Podemos dividir los pluviómetros en dos categorías generales: los de captación, los cuales recogen la precipitación y miden el volumen o peso del agua captada, y los disdrómetros, que miden la cantidad y el volumen de los hidrometeoros que caen.

Los pluviómetros de captación tienen tres componentes esenciales:

1. un cilindro circular con un eje perpendicular a una base nivelada y un borde afilado;
2. un embudo receptor diseñado para minimizar las salpicaduras; y
3. un sistema registrador manual, mecánico, eléctrico u óptico que permita la lectura.

Entre los pluviómetros de captación podemos diferenciar los pluviómetros manuales, cuya lectura requiere una persona, de los que se pueden automatizar para registrar la precipitación de forma más o menos continua.

Los pluviómetros estándar de este tipo se utilizan para medir la precipitación total durante un período determinado.

Los pluviógrafos o pluviómetros registradores incluyen:

• pluviómetros de cubeta basculante
• pluviógrafos de pesada
• pluviógrafos de flotador

Los pluviómetros de captación son susceptibles de error, que en algunos casos puede ser considerable. Por ejemplo:

• errores inducidos por el desplazamiento y la aceleración de la corriente de aire a medida que el viento pasa por encima del instrumento
• humectación del embudo de captura
• pérdidas por salpicadura en el embudo
• evaporación del instrumento o colector

Los pluviómetros de cubeta basculante también experimentan errores de muestreo relacionados con el volumen de resolución, el tiempo de muestreo y la frecuencia de precipitación.

El disdrómetro es un instrumento para medir la distribución de tamaños de las gotas y la velocidad de los hidrometeoros que caen. Existen varios tipos de disdrómetros:

• disdrómetros acústicos
• disdrómetros mecánicos de impacto o desplazamiento
• disdrómetros de radar doppler
• disdrómetros ópticos
• sensores de detección del tiempo presente:
  • de dispersión frontal
  • ópticos lineales
• disdrómetros de video

Todos los disdrómetros mecánicos se caracterizan por una menor sensibilidad a las gotas pequeñas. La pérdida de eventos puede ser el resultado de fricción en las bobinas magnéticas, ruido en los disdrómetros acústicos o la incapacidad de generar una señal en los sensores de impacto piezoeléctricos para partículas de precipitación muy pequeñas.

Los disdrómetros ópticos se ven afectados por errores de área de muestreo que conducen a subestimar tanto la cantidad como la intensidad de precipitación. Los disdrómetros ópticos deben tener en cuenta la forma de las gotas. Cuanto más grande sea el diámetro de una gota, tanto más se achata, lo cual conduce a la sobrestimación del volumen de las gotas.

Seis definiciones caracterizan las mediciones de la nieve que cae y de la profundidad de la nieve:

1. nieve caída
2. tasa de acumulación de nieve
3. profundidad total del manto de nieve
4. contenido en agua líquida de la nieve caída (o equivalente en agua de la nieve)
5. contenido en agua líquida del manto de nieve
6. equivalente en agua líquida

Se considera mejor práctica medir la nieve reciente lo más cerca posible del final del evento, incluso si aún no ha terminado el período de observación oficial. La nieve reciente se mide sobre un tablero nivométrico con una varilla milimétrica con graduaciones cada 0,25 cm. La profundidad total del manto de nieve, que incluye la acumulación total de nieve, aguanieve y hielo, se sigue midiendo mientras haya nieve en el suelo.

Cuando se mide la tasa de acumulación del equivalente en agua líquida con un pluviómetro, se utilizan sistemas de protección del viento —paravientos o pantallas— para reducir el impacto adverso del viento en la razón de captación. La razón de captación de la nieve disminuye conforme la velocidad del viento aumenta.

Entre los paravientos más difundidos cabe mencionar los siguientes:

• referencia de intercomparación de doble cerca (RIDC)
• pantalla de protección del viento de Tretyakov
• paravientos de Alter y de Alter doble

Los pluviómetros con sistemas de protección RIDC, RIDC pequeña y Alter doble registran disminuciones considerables en la velocidad del viento a la altura del instrumento. La instalación del pluviómetro en matorral natural solo puede mejorar la razón de captación.

Para medir tanto el contenido en agua líquida de la nieve caída como el contenido en agua líquida del manto de nieve, se recomienda obtener testigos o muestras cilíndricas del manto nivoso.

En principio, un nivómetro es simplemente un pluviómetro diseñado para captar las formas sólidas de precipitación y medir la profundidad equivalente en agua líquida o la tasa de precipitación de los hidrometeoros sólidos. Estos son ejemplos de nivómetros:

• pluviómetros manuales, como el pluviómetro estadounidense estándar de 8 pulgadas (20 cm)
• pluviógrafos de pesada
• pluviómetro de cubeta basculante calentado

Existen varios métodos adicionales para medir la profundidad de la nieve y el equivalente en agua líquida en regiones remotas donde puede ser difícil e incluso peligroso realizar mediciones in situ. Por ejemplo:

• colchones nivométricos, como los que se instalan en las estaciones SNOTEL
• sensores ultrasónicos de profundidad de la nieve

El mejor lugar para instalar un pluviómetro ofrece protección en todas las direcciones, como un claro en un bosque. La altura de la protección no debe superar la mitad de su distancia al instrumento.

A lo largo de esta lección usted ha adquirido nociones básicas sobre el uso de una variedad de instrumentos para medir los diversos tipos de precipitaciones, los métodos de medición y cómo evaluar los errores y las incertidumbres del instrumento. A continuación debería poder:

• Identificar los diferentes métodos de medición de la cantidad y la intensidad de la precipitación.
• Describir los principios de funcionamiento de los instrumentos comúnmente utilizados para medir la precipitación a nivel del suelo.
• Identificar las fuentes de incertidumbre en las mediciones de precipitación.
• Escoger los instrumentos de medición adecuados para determinados requisitos científicos u operacionales.
• Recomendar el lugar de emplazamiento óptimo de acuerdo con su representatividad y las necesidades de medición dadas.

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