Desempeño del método de Holzworth para la estimación de la altura de la capa de mezcla en Bogotá
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Resumen
La estimación de la altura de capa de mezcla (ACM) resulta fundamental porque permite comprender el comportamiento de la atmósfera en relación con la dispersión de contaminantes, aspecto crucial para analizar la calidad del aire y los impactos en la salud y el ambiente urbano. Esta investigación se centra en evaluar la efectividad del método de Holzworth para estimar la altura de la capa de mezcla urbana en la ciudad de Bogotá, con el propósito de determinar su viabilidad y aplicabilidad en el contexto local y en ciudades con condiciones similares en los andes tropicales o de alta montaña. Bogotá, como principal ciudad económica e industrial y la más poblada de Colombia, enfrenta un crecimiento acelerado que ha traído consigo la presencia de problemas de contaminación atmosférica. Las fuentes que más aportan a esta problemática son el transporte, vías sin pavimentar, obras, construcción, industria y las actividades comerciales. En este escenario, contar con métodos confiables que permitan analizar la dinámica atmosférica se convierte en un insumo esencial. Este estudio se desarrolló mediante la comparación de series temporales de temperatura entre estaciones de monitoreo y la comparación de perfiles verticales atmosféricos obtenidos a partir de 44 radiosondeos diarios y 44 ozonosondeos esporádicos entre 1998-2007 que fueron lanzados dentro del aeropuerto El Dorado, dentro de los cuales 4 conjuntos de datos tienen coincidencias horarias de lanzamiento entre las 06:44 h y las 07:00 h y los otros 40 presentan diferencias horarias entre las 10:00 h y las 15:30 h. La metodología que se utilizó fue de tipo evaluativa, incluyendo el procesamiento y análisis de los datos existentes, estimación de la isla de calor urbana (UHI) para Bogotá, un análisis exploratorio de las series de datos de temperatura, revisión detallada de la aplicabilidad del método de la parcela y de Holzworth. Por último, se llevó a cabo un análisis de coincidencia y comparaciones entre perfiles verticales de temperatura para determinar el nivel de incertidumbre del método. Entre los hallazgos más relevantes, se estimó la presencia de una UHI matutina promedio de 2.40±1.36 °C. Así mismo, se identificó la aparición de una UHI vespertina de 1.0±0.8 °C. Ambas se determinaron mediante la comparación de series temporales de temperatura a horas específicas de las 06:00 h y las 14:00 h entre la estación SKBO El Dorado (4°42'20.1"N, 74°9'2.4"W) y las estaciones de Puente Aranda (4°37'54.36"N, 74°7'2.94"W) y Centro de Alto Rendimiento (4°39'30.48"N, 74°5'2.28"W) ubicadas en la zona urbana y céntrica de la ciudad. Se encontró que, aunque el método de Holzworth produce un estimador razonablemente apropiado y proporcional de la ACM, los valores resultantes en general sobreestiman significativamente la altura de ACM derivada mediante el método de la parcela y utilizando una isla de calor de 5 °C. La ACM a las 07:00 h presenta un valor promedio diario de 248 m. En horas de la tarde la ACM presenta un valor promedio de 1771 m. Al utilizar una isla de calor de 2.40 °C para la correlación entre la ACM matutina estimada mediante el método de Holzworth clásico y Holzworth modificado, se encontró que aplicar una UHI de 2.40 °C estima la ACM en 1/3 menor que al utilizar el método de Holzworth clásico utilizando una UHI de 5 °C y al utilizar una UHI de 1.0 °C para la estimación de la ACM vespertina implicaría un aumento del 16% de la ACM, adicionar esta UHI es plausible por la alta comparabilidad entre la ACM máxima a partir de radiosondeos y ozonosondeos. Esto sugiere que el método de Holzworth es válido para Bogotá y los andes tropicales. Estos resultados confirman que además de la estimación de la ACM, la ciudad presenta una micrometeorología dinámica asociada a la urbanización entre localidades con una atmósfera convectiva inestable en la mayoría de los días. En conjunto, los resultados permiten no solo validar la aplicabilidad del método de Holzworth en la ciudad, también se puede utilizar en regiones que tengan condiciones meteorológicas y topográficas similares, además, aporta al entendimiento de fenómenos locales y de efectos atmosféricos urbanos, que inciden de manera directa en la calidad del aire. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Estimating the mixing layer height (MLH) is fundamental because it allows us to understand atmospheric behavior in relation to pollutant dispersion, a crucial aspect for analyzing air quality and its impacts on health and the urban environment. This research focuses on evaluating the effectiveness of the Holzworth method for estimating the urban mixing layer height in the city of Bogotá, with the aim of determining its viability and applicability in the local context and in cities with similar conditions in the tropical Andes or high mountain regions. Bogotá, as the main economic and industrial city and the most populous in Colombia, faces rapid growth that has brought with it air pollution problems. The main contributors to this problem are transportation, unpaved roads, construction, industry, and commercial activities. In this scenario, having reliable methods for analyzing atmospheric dynamics becomes an essential resource. This study was conducted by comparing temperature time series between monitoring stations and comparing atmospheric vertical profiles obtained from 44 daily radiosounding and 44 sporadic ozonosounding launched between 1998 and 2007 within El Dorado Airport. Four datasets had launch times coinciding between 06:44 and 07:00, while the other 40 had launch times differing between 10:00 and 15:30. The methodology employed was evaluative, including the processing and analysis of existing data, estimation of the urban heat island (UHI) for Bogotá, an exploratory analysis of the temperature data series, and a detailed review of the applicability of the Holzworth method. Finally, a correlation analysis and comparisons between vertical temperature profiles were performed to determine the method's level of uncertainty. Among the most relevant findings, the presence of an average morning UHI of 2.40±1.36 °C was estimated. Likewise, the appearance of an afternoon UHI of 1.0±0.8 °C was identified. Both were determined by comparing time series of temperatures at specific times of 06:00 h and 14:00 h between the SKBO El Dorado station (4°42'20.1"N, 74°9'2.4"W) and the Puente Aranda (4°37'54.36"N, 74°7'2.94"W) and High Performance Center (4°39'30.48"N, 74°5'2.28"W) stations located in the urban and central area of the city. It was found that, although Holzworth's method produces a reasonably appropriate and proportionate estimator of the MLH, the resulting values generally significantly overestimate the MLH height derived by the parcel method and using a 5°C heat island. The MLH at 07:00 h presents a daily average value of 248 m. Using a heat island of 2.40 °C for the correlation between the morning MLH estimated by the classic Holzworth method and the modified Holzworth method, it was found that applying a UHI of 2.40 °C estimates the MLH at 1/3 less than using the classic Holzworth method with a UHI of 5 °C. Using a UHI of 1.0 °C for the afternoon MLH estimation would imply a 16% increase in the MLH. Adding this UHI is plausible due to the high comparability between the maximum MLH from radiosounding and ozonosounding. This suggests that the Holzworth method is valid for Bogotá and the tropical Andes. These results confirm that, in addition to the MLH estimate, the city exhibits dynamic micrometeorology associated with urbanization between localities, with an unstable convective atmosphere on most days. Taken together, the results not only validate the applicability of the Holzworth method in the city, but also its use in regions with similar meteorological and topographical conditions. Furthermore, it contributes to the understanding of local phenomena and urban atmospheric effects that directly impact air quality.
Descripción
ilusttraciones a color, diagramas, fotografías, mapas, tablas