Caracterización de la capa límite atmosférica en el Valle de Aburrá a partir de la información de sensores remotos y radiosondeos

Abstract

El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un marco de análisis en donde se logre caracterizar la estructura y evolución de la Capa Límite Atmosférica (CLA) sobre una zona con topografía altamente compleja, el valle de Aburrá (Colombia), identificando los fenómenos meteorológicos y dinámicas antrópicas que tienen influencia en dichos procesos. El papel de la CLA en la calidad del aire en la región de estudio también hace parte del desarrollo del presente estudio. Con este propósito se realizan estimaciones de la altura de la Capa de Mezcla, basadas en la información de tres ceilómetros, un Radar Perfilador de Vientos (RWP), un Radiómetro Microondas (MWR) y tres campañas de radiosondeos. Todos los instrumentos hacen parte del Sistema de Alerta Temprana de Medellín y el valle de Aburrá (SIATA). Varios métodos son implementados usando técnicas que involucran un solo sensor y las que se denominaron multi-sensor, y su desempeño posteriormente validado con los perfiles verticales diferentes variables físicas y termodinámicas. Las estimaciones realizadas usando el Número de Richardson, integrando la información proveniente del RWP y del MWR, son aparentemente más estables y mejores predictoras de la altura de la capa de mezcla en ausencia de aerosoles, los cuales representan el principal trazador para las estimaciones basadas en los métodos de perfil, usando la retrodisperción de los ceilómetros. El ciclo diurno de la CLA en el valle de Aburrá presenta un régimen monomodal altamente influenciado por los gradientes de temperatura entre la superficie y la atmosfera, y los procesos de turbulencia cerca de la superficie. De acuerdo con el análisis frecuencial implementado, no se encuentran en la serie de altura de CLA estimada otros modos de variación dominantes, lo que se atribuye a la escasa longitud del registro analizado. Caso contrario ocurre con la retrodispersión, que reflejando una medida de las concentraciones de aerosoles en el ambiente está fuertemente influenciada por las dinámicas antrópicas relacionadas con la emisión de contaminantes en superficie. Esta relación es estudiada en detalle utilizando la información de las estaciones de la red de monitoreo de la calidad del aire del valle de Aburrá, determinando que la retrodispersión bajo condiciones de baja humedad, es una variable proxy y predictora de las concentraciones de material particulado en superficie.

Abstract: The main goal of this work is to develop a framework of analysis for characterizing the Atmospheric Boundary Layer (ABL) structure and evolution over a highly complex mountainous terrain, the Aburrá Valley region (Colombia), and identifying the meteorological phenomena and anthropogenic dynamics that have influence on this processes. The ABL role in air quality in the region is also examined as part of this study. For this purpose, estimations of the Mixing Layer Height (MLH) are made based on information from three Ceilometers, a Radar Wind Profiler (RWP), a Microwave Radiometer (MWR) and three Radiosonde campaigns. All the instruments are part of the Medellín and Aburrá Valley Early Warning System (SIATA). Diverse methods are implemented using both single-sensor and multi-sensor techniques and their performance is assesed using retrievals different physical and thermodynamic vertical profiles. The Richardson Number estimations using the RWP combined with the MWR appear more stable and the best MLH estimator in the absence of aerosols that are the main tracer for the estimations based on profiling methods using ceilometer backscatter. The diurnal cycle of the MLH at the Aburrá Valley exhibits a monomodal behavior, highly influenced by the temperature gradient between the surface and atmosphere, and the turbulence processes near the surface. According to spectral analysis results, no other dominant modes of variation are present, probably due to the short history of data available. On the other hand, backscattering presents a bimodal structure, showing that the amount of aerosol particles at the lower troposphere is strongly inuenced by anthropogenic dynamics related to surface pollution emissions and by the MLH as well, because the latter conditions the available vertical scale for the contaminants to interact and disperse. Nevertheless, the amount, distribution or type of atmospheric aerosols doesn't appear to have a first-order inuence on the MLH variations or evolution. The relationship bet ween this two variables was studied using data from RedAire stations, concluding that backscatter, under low humidity conditions, is a proxy of surface particulate material concentrations.