TEMA 1.3 HIDROLOGÍA PDF

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Profesor: Juan Antonio Pascual Aguilar...

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TEMA 1.3. PRECIPITACIÓN TIPOS DE PRECIPITACIÓN La precipitación se define como cualquier product de condensación de agua atmosférica que cae sobre la superficie terrestre. Pueden distinguirse varios tipos según su estado y tamaño: llovizna (0’1-0’5 mm), Lluvia (>0’5mm), escarcha, nieve, granizo. Las nubes están formadas por corpúsculos o pequeñas partículas de agua con un diámetro medio de 0’02mm. Estos corpúsculos se mantienen en el aire mientras su tamaño no aumente. Los mecanismos de aumento de tamaño son: 1. El proceso de coalescencia directa. Mecanismo que consiste en la unión de multitud de partículas de agua formando las gotas de Lluvia (0’5-2’5mm). 2. El proceso de condensación (paso de forma gaseosa a forma líquida) del vapor. En este caso las gotas aumentan de tamaño debido a la condensación del vapor producida sobre la superficie de las gotas que constituyen la nube. La condensación también puede producirse cuando existen gotas a diferente temperatura.

TIPOS DE PRECIPITACIÓN: POR SU GÉNESIS La formación de las precipitaciones requiere la elevación de una masa de agua en la atmosfera de tal forma que se enfríe y parte de su humedad se condense. Por ello, las precipitaciones se pueden dividir en: 1. Precipitaciones convectivas La elevación convectiva del aire debido al calentamiento de éste por radiación solar. Se produce la condensación del vapor al alcanzar zonas más frías. Este tipo de precipitación suele ir acompañado por efectos de descarga eléctrica. 2. Precipitaciones orográficas La elevación del aire es producida por la existencia de una cadena montañosa. Los vientos procedentes del océano y cargados con aire húmedo se encuentran con una cadena montañosa que eleva a capas más frías el aire, condensándose el vapor y constituyendo nubes y, por tanto, posibles precipitaciones. 3. Precipitaciones ciclónicas En este caso la elevación de masas de aire se produce sobre una masa de aire frio por un pasaje frontal o superficie de contacto. Las masas más húmedas y cálidas se elevan hasta zonas frías, donde se condensan y originan las precipitaciones.

TIPOS DE PRECIPITACION: DESCRITOS POR SU FORMA DE PRECIPITAR E INTENSIDAD 1. Llovizna. Lluvia muy débil en la que a menudo las gotas son muy finas e incluso pulverizadas en el aire. En una llovizna la pluviosidad o acumulación es casi inapreciable. Popularmente se le llama garúa, orvallo, sirimiri, pringas o calabobos. 2. Lluvia. Término genérico para referirse a la mayoría de precipitaciones acuosas. Puede tener cualquier intensidad, aunque lo más frecuente es que sea entre débil y moderada. SARA GARCÍA SALA

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3. Chaparrón (chubasco). Es una lluvia de corta duración, generalmente de intensidad moderada o fuerte. Los chubascos pueden estar acompañados de viento. 4. Aguacero. Es una lluvia torrencial, generalmente de corta duración. Sinónimo de chubasco o chaparrón. 5. Tormenta eléctrica Es una lluvia acompañada por actividad eléctrica y, habitualmente, por viento moderado o fuerte, e, incluso, con granizo. Las tormentas pueden tener intensidades desde muy débiles hasta torrenciales, e, incluso, a veces son prácticamente secas. 6. Tromba de agua. Es un fenómeno meteorológico de pequeñas dimensiones, pero muy intenso, que mezcla viento y lluvia en forma de remolinos o vórtices.

CARACTERÍSTICAS DE LA PRECIPITACIÓN Son varias las principales propiedades de la lluvia que ayudan a comprender su régimen (forma de llover) sus dimensiones (cantidad de agua precipitada), su distribución en el tiempo (duración, frecuencia) y su distribución en el espacio (dimensiones geográficas de un suceso). •

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Intensidad de la lluvia. Se define como la cantidad de agua que cae por unidad de tiempo en un lugar determinado. En España el Instituto Nacional de Meteorología define la intensidad de lluvia según un criterio de acumulación en una hora:

40mm registrados en una hora corresponderían a una lluvia muy fuerte, pero la importancia no estaría solo en que hayan caído 40mm en una hora, sino también en cómo se habrían distribuido temporalmente esos 40mm, si de forma regular o de forma muy irregular. Duración de la lluvia. Lapso de tiempo transcurrido desde el inicio y el fin de un evento de lluvia o tormenta. La duración es muy variable, oscilando entre unos pocos minutos a varios días. • Tandas. Período de días consecutivos de lluvia. Altura o profundidad. Es la lámina de agua teórica que se levantaría con un suceso de precipitación. Se define como la altura que tendría en agua precipitada sobre un m2 de superficie horizontal impermeable, si la totalidad del agua precipitada no se escurriera. Esta dimensión es la que se mide en los pluviómetros. Generalmente se expresa en mm (1mm de agua sobre 1m2 equivale a 1 litro) Frecuencia. Se define como el promedio de tiempo que transcurre entre los acaecimientos de dos eventos de tormenta de la misma característica. Para estas determinaciones se toman en cuenta la duración o la altura, y, eventualmente, ambas. La frecuencia puede entenderse como un período de retorno.

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Distribución temporal. Forma de precipitar a lo largo del tiempo. Puede hacer referencia a la distribución de un suceso de precipitación o al régimen de precipitaciones mensuales a lo largo de un año o una serie temporal más larga. La distribución temporal de una tormenta juega un papel importante en la respuesta hidrológica de cuencas en términos de desarrollo de hietograma: gráfico de la distribución temporal de la lluvia de un suceso.

precipitación (mm)

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380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

1. Media + 1 2. Media + 2 3. Media + 3 4. Media + 4 5. Máximas de verano/otoño 6. Máximo de octubre 7. Máximas de invierno/primavera

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3 2 1

1 2 3

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m es •

Distribución espacial. Dependiendo de las características de las células de precipitación, la extensión superficial de la lluvia variará considerablemente: Las tormentas que cubren áreas grandes tienden a tener formas elípticas, con un ojo de alta intensidad ubicado en el medio de la elipse, rodeado por lluvias de intensidades y alturas decrecientes. El ojo de la tormenta tiende a moverse en dirección paralela a los vientos prevalentes en el período en que se da el evento.

MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN Y CONSIDERACIONES GENERALES RESPECTO A LAS REDES METEOROLÓGICAS SU MEDICIÓN La lluvia se mide por la altura que alcanzaría el agua sobre una superficie plana y horizontal ideal, antes de sufrir pérdidas.

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Los pluviómetros, miden la cantidad de lluvia (en l/m2 o mm) recibida en el intervalo de tiempo (generalmente un día), comprendido entre dos lecturas consecutivas. El instrumento de medición directa es el pluviómetro: es un colector que recibe el agua de lluvia. Deben cumplirse ciertas condiciones de localización para no distorsionar los registros.

TIPOS DE PLUVIOMETROS 1. Pluviómetros no registradores. Son los más utilizados. Miden la cantidad de agua en períodos cortos (1 día). Consisten en Consisten en un recipiente en el que se acumula la lluvia que cae a través de un embudo, cuyo objeto es disminuir la evaporación. Se suelen situar a 1.5 metros del suelo. Para garantizar su mejor uso la boca de recepción debe estar horizontal, hay que tener presente que la precipitación puede disminuir con la altura, ya que aumenta la velocidad del viento, y que la acción del viento es la principal causa de error en la medida de las precipitaciones por los torbellinos que se pueden formar en las cercanías del aparato. 2. Pluviómetros totalizadores. Usualmente son no registradores y se utilizan en zonas de difícil acceso. Las lecturas se hacen como mucho anualmente, por lo que deben tener mayor capacidad. Su diseño debe evitar la evaporación. 3. Pluviometros registradores o pluviógrafos. Son aparatos que proporcionan la variación de la altura de precipitación en continuo con respecto al tiempo (pluviograma). La información detalada permite analizar de manera más exhaustiva y a intervalos temporales de detalle, más allá de los registros acumulados en 24 horas. Hay 2 grandes tipos: a. Mecánicos. Grafican en un lámina de papel. b. Digitales. Acumulan digitalmente los registros (datalogger). Consideraciones generales respecto a las redes meteorológicas: las estaciones meteorológicas albergan un conjunto de instrumentos destinados a medir y registrar regularmente diversas variables meteológicas como la temperatura del aire, la presión atmosférica, las precipitaciones, la humedad relativa del aire o la velocidad y dirección del viento, entre otras, para diferentes usos entre los que destacan la elaboración de predicciones meteorológicas y el estudio del clima.

TIPOS DE REDES: POR SU FORMA DE RECOGIDA DE DATOS 1. Manual. Requiere la consulta in situ de la información registrada por su instrumental (bajo coste de infraestructura)

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2. Automática. Generan información en gran cantidad y calidad. Inmediatez de consulta (elevado coste de la infraestructura y dispositivos). Todas las redes se basan en un número de observatorios de recogida de datos puntuales distribuido por todo el territorio con densidad variable. TIPOS DE REDES POR SU INFORMACIÓN RECOGIDA (el caso de AEmet) La Agencia Estatal de Meteorología (AEMet) dispone de tres tipos de redes de observación: 1. Red de Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA) que ofrecen datos de viento, humedad, temperatura, precipitación y presión atmosférica. 2. Red de Estaciones Principales, combinan sistemas manuales y automáticos. Registran variables como precipitación, temperatura y humedad del aire, temperatura del suelo, radiación solar, insolación y evaporación. 3. Red de Estaciones Secundarias, miden temperatura del aire y / o precipitación

DISEÑO DE UNA RED Una red meteorológica es un sistema organizado para la recolección de datos climáticos, incluyendo también el conjunto de las actividades relativas a la recolección de esos datos. Su diseño está pensado para lograr un objetivo único o un conjunto de objetivos compatibles. Un diseño de red debería estar basado en una maximización del valor económico de los datos que serán recogidos. Previo a la instalación de una red se debe establecer una serie de consideracaiones de diseño (fases): 1. Estudios previos sobre las carcaterísticas del área donde se organizaría la red meteorológica, por ejemplo: a. Tamaño del área b. Si se trata de una unidad administrativa o un ambiental (cuenca, espacio natural…) c. Características físicas (topografia) d. Accesibilidad e. Seguridad de los instrumentos 2. Planificación práctica: a. Identificación y conocimiento (características) de las posibles estaciones existentes b. Localización de las estaciones (si son de interés) en mapas (topográficos) c. Análisis de la distribución de las estacione, relacionado con las características de la zona y necesidades de obtención de información. d. Selección de los nuevos lugares para obtener la información deseada. SARA GARCÍA SALA

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3. Diseño detallado de las instalacione de medidores de los sitios (nuevos) Su complejidad varia dependiendo de: a. El tipo de variables meteorlógicas b. Las características de los instrumentos de medición (dogotales, manuales, etc) c. El presupuesto final es un factor determinante muy en cuenta La densidad de la red dependerá de los objetivos propuestos y del tamaño y características del área donde se instale la red. Según la Organización Mundial de Meteorologia, la densidad mínima de redes oficiales sería:

REDISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN: LA INTERCEPCIÓN

Interceptación: agua proveniente de la lluvia retenida por la vegetación y por la hojarasca que está sobre el suelo y que luego es evaporada. Precipitación incidente: la precipitación que llega a la parte superior de la vegetación. SARA GARCÍA SALA

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Precipitación neta: precipitación que llega al suelo por goteo directo, goteo desde el dosel vegetal escorrentía por los tallos.

INCIDENCIA EN EL CICLO HIDROLÓGICO 1. Atenuación del agua incidente: influye en la infiltración 2. Interviene en el potencial de agua que llega y es almacenada en el suelo y en su distribución espacial 3. Evapotranspiración.

COMPONENTES PRINCIPALES DE LA INTERCEPCIÓN Donde: P es la lluvia sobre la vegetación S es la escorrentía cortical T es la trascolación

𝑰 = 𝑷 − (𝑺 + 𝑻)

1. Pérdida de la Interceptación Se considera como agua que se retiene por las superficies de la vegetación que más tarde se evapora a la atmosfera, o es absorbida por la planta. La pérdida de interceptación evita que el agua llegue a la superficie del suelo. 2. Trascolación El agua que cae a través de los espacios de la cubierta vegetal o que gotea de las hojas, ramas y tallos y cae al suelo. 3. Escorrentía cortical El agua que se escurre a lo largo de los tallos y ramas y circula por el tallo o tronco hasta la superficie del terreno.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INTERCEPCIÓN 1. Almacenamiento de la vegetación La capacidad de las superficies de vegetación para recoger y retener la precipitación. La capacidad será más alta en el inicio de la precipitación cuando la vegetación está seca. 2. La evaporación El agua almacenada en la superficie de las plantas (hojas, troncos) se puede perder por evaporación. La capacidad evaporante aumenta en condiciones de viento, aunque la capacidad de almacenamiento por interceptación se puede reducir con un aumento de la velocidad del viento. 3. Duración de las precipitaciones Se da una relación entre la capacidad máxima de almacenamiento de la vegetación y la tasa de pérdida de agua por evaporación a lo largo del tiempo. Las pérdidas totales por interceptación aumentan con la duración de las precipitaciones (pero solo gradualmente), aunque la importancia relativa de la interceptación disminuye con el tiempo. SARA GARCÍA SALA

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En resumen: La importancia de la interceptación disminuye con el tiempo, debido a la duración de las precipitaciones y los cambios en la capacidad de almacenamiento de la vegetación.

4. Frecuencia de la precipitación Los más altos niveles de pérdida de interceptación se producen cuando las hojas presentan su mayor capacidad de almacenamiento en seco: La interceptación es alta, por lo que la frecuencia de re-humectación es más importante que la duración y la cantidad de lluvia. 5. Tipos de precipitación Contraste entre lluvia y nieve (x ejem) 6. Tipo y morfología de la cubierta vegetal Los distintos tipos de vegetación tienen: a. Diferentes capacidades de almacenamiento b. Diferentes características de rugosidad aerodinámicas c. Diferentes tasas de evaporación de sus superficies d. Las pérdidas de interceptación son generalmente mayores en los árboles que en otros tipos de vegetación (pastos y cultivos agrícolas), por la mayor rugosidad aerodinámica de los árboles que producen un aumento de la evaporación o por sus capacidades de interceptación más altas, especialmente cuando se humedece y se seca con frecuencia.

EL ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN 1. Valores sintéticos y gráficos de las series pluviométricas a. Módulo pluviométrico anual medio. Es la media aritmética de la lluvia anual durante una serie de años. La lluvia total de un año, dividida por el módulo pluviométrico anual medio, es el índice de humedad y permite clasificar los años en húmedos, medios o secos. Cuando disponemos de series cortas (menores de 30 años), el módulo pluviométrico anual medio no es muy representativo. b. Lluvia Media Mensual. Es la media de las precipitaciones en un cierto mes, durante una serie de años. La suma de las lluvias medias mensuales de todos los meses del año será igual al módulo pluviométrico anual medio. c. Hietograma. Es la figura que representa la cantidad de lluvia recogida en intervalos regulares de tiempo. 2. Datos faltantes y su tratamiento estadístico La metodología estadística del análisis de correlación implica la determinación de una serie de elementos, entre los que destacan:

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a. La ecuación de la regresión o expresión que relaciona la variable (o variables) independiente(es) con la dependiente. La correlación es de tipo cuando ambas variables se mueven dentro de sus ejes en la misma dirección. Por el contrario, es negativa cuando se mueven en sentido opuesto. En el caso de correlación lineal entre dos variables (una dependiente y otra independiente) la ecuación de la regresión se ajusta a la formulación expresada en la figura 2. Si la correlación es de tipo curvilíneo la expresión es más compleja, dependiendo ésta del tipo de curva a la que se ajuste. b. El coeficiente de correlación (r) que establece el grado (o proporción) de la variable dependiente que es explicada por la ecuación de la regresión. c. El coeficiente de determinación (R2), que es el cuadrado del coeficiente de correlación. Los valores de r2 oscilan entre 0, ninguna correlación, y 1, máximo grado de ajuste entre las variables

COMPLETADO DE DATOS FALTANTES EN SERIES CLIMATOLÓGICAS La regresión lineal es un método ampliamente utilizado para completar vacíos de datos en series temporales, sobre todo para la estimación de registros mensuales y anuales pues, al presentar una mayor homogenización de la información, su correlación puede ser más fuerte que cuando aplica a datos con mayor definición temporal como los diarios y horarios. Su principio se basa en la asunción de la existencia de similitud entre los registros de estaciones cercanas, pudiéndose establecer una buena correlación entre la de control (con series completas) y las mediciones de la estación con datos faltantes. Si bien se recomienda la utilización de más de una estación de control, en la práctica es difícil encontrar en las redes de medición una densidad de estaciones con un número de ellas que estén lo suficientemente próximas a la que presenta las anomalías, por lo que normalmente se recurre a solo una (como es el caso del estudio comparativo entre métodos de completado de datos de precipitación realizado por Pizarro et al. (2009).

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La estación de referencia debe tener una serie lo suficientemente larga y consistente que permita la comparación con la estación dependiente. El procedimiento consiste en hacer el ajuste de correlación en la parte suficientemente larga en que las dos presentan datos comunes donde se procede de manera secuencial a: 1. Identificar los registros sin datos de la serie incompleta 2. Establecer la función de la regresión lineal entre los registros comunes de datos de ambas series 3. Determinar la fuerza de la correlación po medio del coeficiente de correlación (r) o el coeficiente de determinación (r2) 4. Finalmente, calcular los vacíos de datos de la serie imcompleta aplicando la función de regresión encontrada en el paso 2. 3. Tratamiento espacial de los valores puntuales de los observatorios Para el cálculo de volúmenes de agua caídos sobre una unidad hidrológico (Cuenca de drenaje) y partiendo de unos cuantos puntos de observación, hay que considerar aplicar métodos que integren las medidas de esos observatorios de manera que la cantidad de lluvia sea más representativa. Para ello varios métodos, siendo los más comunes: 1. La Media Aritmética Consiste en tomar como lluvia media de la zona, la media aritmética de las medidas obtenidas en los pluviómetros situados en ella durante un periodo fijo de tiempo. 𝑃1 + 𝑃2 + ⋯ 𝑃𝑛 𝑃𝑚 = 𝑛 Donde: Pm = precipitación media Pi = precipitación media correspondiente al observatorio i n = número de observatorios elegidos 2. Los polígonos de Thiessen Asigna a cada punto de la cuenca la precipitación registrada en el pluviómetro más cercano, y se unen mediante líneas las estaciones más cercanas, resultando una serie de triángulos. A continuación, se di...