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Idesia (Arica)

versão On-line ISSN 0718-3429

Idesia vol.35 no.2 Arica jun. 2017  Epub 13-Maio-2017

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-34292017005000023 

Análisis de condiciones climatológicas de precipitaciones de corto plazo en zonas urbanas: caso de estudio Barranquilla, Colombia

 

Analysis of the climatic conditions for short-term precipitation in urban areas: a case study Barranquilla, Colombia

 

Elkin Ramírez-Cerpa1*, Melisa Acosta-Coll1, Jaime Vélez-Zapata1

1 Universidad de la Costa, CUC. Programa de Ingeniería Electrónica. Barranquilla, Colombia. * Autor por correspondencia eramirez1@cuc.edu.co


RESUMEN

Las lluvias de corto plazo se caracterizan por ser de alta intensidad y corta duración. En zonas urbanas, este tipo de precipitación produce inundaciones repentinas debido a que la cantidad de agua precipitada satura la capacidad del sistema de drenaje pluvial generando escorrentías peligrosas. Predecir la ocurrencia de las lluvias a corto plazo con precisión es uno de los retos dentro del campo de la meteorología, y es crítico para el desarrollo de sistemas de alertas que ayuden a la toma de decisiones oportunas en la comunidad. La ciudad de Barranquilla, Colombia, ubicada en la región caribe posee un clima tropical con régimen bimodal, y durante el período de lluvias dentro de la ciudad se generan escorrentías peligrosas llamadas arroyos que causan pérdidas materiales y muertes por arrastre o ahogamiento. Actualmente la ciudad no cuenta con un sistema de alerta temprano propio que informe a la comunidad sobre la probabilidad de formación de lluvias a corto plazo y le permita tomar decisiones antes de presentarse la lluvia. Este artículo muestra un análisis de las mediciones de los últimos cinco años de las variables meteorológicas realizados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM) en la ciudad de Barranquilla, Colombia, con el fin de determinar cuáles son las variables que influyen en la formación de lluvias de corto plazo que generan inundaciones en la ciudad y su variación temporal durante el año.

Palabras clave: lluvias de corto plazo, inundaciones repentinas, escorrentía, condiciones climatológicas, régimen bimodal.


ABSTRACT

Short-term precipitations are characterized by high intensity and short duration. In urban areas, this type of precipitation produces flash floods because the amount of precipitated water saturates the capacity of the storm drainage system generating dangerous run-offs. Predicting the occurrence of short-term precipitation accurately is one of the challenges in the field of meteorology, and it is critical for the development of early warning systems that help timely decision-making in the community. The city of Barranquilla-Colombia, located in the Caribbean region has a tropical climate with a bimodal regime, and during the rainy sea-son within the city dangerous runoff streams are generated that cause material losses and or drowning deaths. Currently the city does not have an early warning system of its own that informs the community about the probability of precipitation formation in the short term and the use of decisions before the rain. This paper presents an analysis of the last five years of the meteorological variables carried out by the Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM) in the city of Barranquilla, Colombia, in order to determine the variables which influence the formation of short-term rainfall that generate floods in the city and its temporal variation during the year.

Key words: short-term precipitation, flash floods, run-off, climatic conditions, bimodal regime.


Introducción

El clima se define como el conjunto de condiciones atmosféricas que varían de acuerdo a los estados y evoluciones del tiempo de una región determinada (IDEAM, 2014). Algunas de las variables atmosféricas que describen el clima de un territorio son la temperatura y las precipitaciones, sin embargo, es necesario identificar otros componentes del sistema climático para poder caracterizarlo (Alves & Marengo, 2010). Las precipitaciones están asociadas a diferentes elementos climatológicos como la temperatura de aire, la humedad, velocidad y dirección del viento, la presión atmosférica, la evaporación, la insolación y el tiempo reinante (por ejemplo, niebla, granizo y truenos) (OMM, 2011).

A lo largo del tiempo se han originado variaciones del clima que son observados mediante la medida y monitorización de las variables y fenómenos meteorológicos que comprenden un clima (Pabón et al., 2000). Estas medidas son realizadas por medio de estaciones meteorológicas ubicadas sobre tierra firme, el mar y a distintas alturas de la atmósfera, siendo unas estacionarias y otras ubicadas a lo largo de las rutas trazadas por barcos y aviones (Cepeda-Pizarro & Armijo León, 2014) (Carrera-Villacrés et al., 2016) con el fin de elaborar predicciones meteorológicas que permiten crear sistemas de alertas sobre el riesgo de desastre como son las inundaciones (Rodríguez et al., 2004).

Las inundaciones son el peligro natural más extendido a nivel mundial, y representa una amenaza especialmente alta para las ciudades, donde ocurre la mayoría de desastres (Zevenbergen & Gersonius, 2007) (Dewan, 2013). De acuerdo al Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), de los países de América Latina, que ha tenido la mayor afectación por la ocurrencia de desastres durante los últimos 30 años ha sido Colombia registrando, en promedio, 597,7 eventos por año (Murcia, 2009). Una de las zonas más afectadas del país con inundaciones es la ciudad de Barranquilla, ubicado en la región caribe del país (PNUD, 2012). Durante el período de lluvias, dentro de la ciudad se forman escorrentías peligrosas debido a las altas intensidades de la precipitaciones a corto plazo y el deficiente sistema de drenaje de la ciudad (Cama et al., 2016).

El presente trabajo muestra un análisis para determinar cuáles son las variables climatológicas que influyen en la formación de las lluvias de corto plazo que generan inundaciones repentinas dentro de la ciudad. El trabajo está dividido en cuatro secciones. La primera describe las características climatológicas de la ciudad de Barranquilla, y la influencia de los fenómenos del Niño y la Niña en la formación de lluvias. La segunda sección presenta un resumen de la información de los últimos cinco años de las variables meteorológicas medidas en la ciudad de Barranquilla. La tercera sección muestra el análisis de los resultados y determina cuáles son las variables que más influyen en la formación de lluvias a corto plazo con el fin de poder medir estas variables en tiempo real y a futuro construir un sistema de alerta temprana que permita tomar decisiones oportunas. Finalmente, en la última sección, se presentan las conclusiones.

Materiales y Métodos

Climatología

La formación de precipitación puede ocurrir a temperaturas por encima o por debajo de la congelación. La precipitación que se forma en temperaturas enteramente por encima de la congelación se llama precipitación caliente y la precipitación fría involucra hielo en alguna etapa del proceso (Cotton et al., 2010). Casi toda la precipitación comienza con la condensación del vapor de agua alrededor de las partículas pequeñas (diámetros entre 0,00001 a 0,0001 cm) en el aire llamados núcleos de la condensación de la nube (Matveev, 1984). La condensación puede ocurrir en humedades relativas inferiores al 100 por ciento para partículas higroscópicas (aquellas que tienen afinidad por el agua) o pueden retrasarse hasta que la humedad relativa supere el 100 por ciento si las partículas son hidrófobas (carentes de afinidad por el agua). Las partículas de sal marina que quedan cuando el aerosol de mar se evapora son núcleos particularmente eficaces. La saturación del aire se produce cuando las corrientes de aire ascendentes se enfrían adiabáticamente (es decir, sin pérdida de calor) por expansión. Debido a que la presión de vapor de saturación del agua disminuye exponencialmente con la disminución de la temperatura, el enfriamiento de una masa de aire húmedo por elevación es un mecanismo eficiente para producir saturación y condensación (Pruppacher & Klett, 1997).

Luego, cuando el aire húmedo se eleva suficientemente para producir saturación, condensación y el crecimiento de las partículas de precipitación producida al incidir los rayos solares sobre la corteza terrestre, se da la formación de la precipitación. Parte del agua que cae se evapora directamente hacia la atmósfera o es asimilada por los seres vivos. El resto infiltra en la tierra formando depósitos subterráneos o acuíferos (Márquez, 2009) (Carenas et al., 2014). De acuerdo con lo anterior en la siguiente tabla se relacionan las variables ambientales que presentan mayor relación y representatividad con las precipitaciones (ver Tabla 1).

Tabla 1. Variables ambientales relacionadas con la precipitación.

De acuerdo con la Tabla 1 las variables que influyen mayormente en la formación de las precipitaciones con la temperatura media, humedad relativa, evaporación y brillo solar, y la nubosidad con una relevancia media.

Variables meteorológicas en Colombia y el departamento del Atlántico

En Colombia, los estudios del comportamiento del clima son escasos, ya que la mayoría de estos solo son realizados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). Otros estudios utilizan la información suministrada por el IDEAM; sin embargo, estos se remiten a la ciudad de Bogotá, capital de Colombia, lo que indica una carencia de información en estudios del clima en el departamento del Atlántico diferentes a los realizados por el IDEAM (Hoyos & Baquero-Bernal, 2013).

El régimen de temperatura del aire está determinado por la situación geográfica de Colombia en el mundo y las particularidades fisiográficas de su territorio. El primer factor influye sobre la amplitud anual de la temperatura del aire, mientras que el segundo lo hace sobre la variabilidad espacial de la misma y su amplitud diaria (Pabón et al., 2001). En la Costa Atlántica, la temperatura media oscila entre los 24 °C y 28 °C). En la Tabla 2 se observan datos meteorológicos de la ciudad de Barranquilla, registrando las temperaturas máximas y mínimas promedio a lo largo del año.

Tabla 2. Precipitación y temperaturas promedio de Barranquilla.

Debido a las altas temperaturas, la región Caribe registra altas evaporaciones en sus temporadas secas. Los mayores valores se registran hacia los primeros meses del año, con promedios superiores a los 6 mm diarios. Los menores se presentan en la segunda temporada lluviosa, durante los meses de octubre y noviembre, en los que la evaporación diaria baja a niveles de 4 o 5 mm diarios aproximadamente. Aunque no es muy apreciable, es posible notar un segundo máximo en los meses de julio y agosto y un mínimo secundario hacia los meses lluviosos del primer semestre (IDEAM, 2005). La Figura 1 muestra los niveles de evaporación medidos en el municipio de Soledad que hace parte del área metropolitana de la ciudad de Barranquilla.


Figura 1. Niveles de evaporación mensual (IDEAM, 2005)1
ENE: Enero - FEB: Febrero - MAR: Marzo - ABR: Abril -MAY: Mayo - JUN: Junio - JUL: Julio - AGO: Agosto - SEPT: Septiembre - OCT: Octubre - NOV: Noviembre - DIC: Diciembre.

Con relación a la humedad relativa, en el departamento del Atlántico la marcha anual es aproximadamente monomodal. Las humedades mínimas se registran en el primer trimestre y luego se presenta un ascenso paulatino hasta alcanzar un máximo en los meses de octubre y noviembre, correspondientes a la segunda temporada lluviosa (ver Figura 2). En algunas zonas, especialmente hacia el interior de la región Caribe, se insinúa un leve descenso de las magnitudes medias, en los meses de julio y agosto. Los valores mensuales durante el año pueden oscilar entre 65% y 85%, en promedio (IDEAM, 2005).


Figura 2. Humedad relativa en el municipio de Soledad, Atlántico (IDEAM, 2005)1
ENE: Enero - FEB: Febrero - MAR: Marzo - ABR: Abril - MAY: Mayo - JUN: Junio - JUL: Julio - AGO: Agosto - SEPT: Septiembre - OCT: Octubre - NOV: Noviembre - DIC: Diciembre.

Otra de las variables ambientales que puede afectar el comportamiento de las precipitaciones, es la velocidad del viento. La velocidad del viento en superficie se refiere a la velocidad que alcanza esta variable meteorológica a 10 metros de altura, que es la norma internacional establecida por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) como estándar para la medición y seguimiento del viento (IDEAM & UPME, 2006). Debido a su posición dentro de la franja tropical, Colombia está bajo la influencia de los vientos alisios, los que soplan del noreste en el hemisferio norte y del sureste en el hemisferio sur (IDEAM, 2005). A nivel medio anual, en el norte de la región Caribe dominan vientos de componente norte, en tanto que en el centro y sur de dicha región, los vientos tienen componente oeste y noroeste.

Influencia del fenómeno del Niño y la Niña en Barranquilla durante los últimos 5 años desde el 2010

El Niño es un una anomalía climatológica que describe la aparición de aguas superficiales relativamente más cálidas de lo normal y de calentamiento de la atmósfera originando cambios tanto oceánicos como atmosféricos en diferentes zonas del Pacífico, especialmente en las zonas costeras del Pacífico colombiano, ecuatoriano y peruano (Paladines Vélez et al., 2016). El fenómeno El Niño se caracteriza por tener cuatro fases definidas: Inicio, desarrollo, madurez y debilitamiento, en donde el punto máximo de la etapa de madurez, se alcanza generalmente a finales del segundo semestre del año (Nicholls, 1988).

Normalmente diciembre es un mes de transición hacia la temporada seca o de menos lluvias en gran parte del país. En ese contexto durante diciembre 2015, se registró un comportamiento deficitario de las lluvias, con volúmenes muy bajos en gran parte del país, destacándose amplios sectores del norte y centro de la región Caribe, amplias zonas del centro y sur de la región Andina y centro y norte del Pacífico, con cantidades de precipitaciones entre el 10% y el 40% de lo que normalmente llueve. (IDEAM, 2016). El último fenómeno registrado de El Niño ocurrió entre los años 2009 y 2010; el de mayor impacto registrado hasta el momento aconteció, entre 1997 y 1998 (Acevedo & Bernal, 2012).

Al igual que el fenómeno El Niño, el fenómeno de La Niña es un fenómeno de variabilidad climática y no de cambio climático. La fase FRÍA del fenómeno ENSO o ENOS conocida internacionalmente como La Niña, es un fenómeno contrario el El Niño, no solo en términos de formación, si no a su vez en efectos climáticos que produce en el país, es decir, que ocasiona precipitaciones por encima de lo normal para cada una de las épocas del año en las que está presente, especialmente para regiones Andina, Caribe y Pacífico (Euscátegui & Hurtado, 2011). Por lo general, " La niña" comienza su formación desde mediados de un año, con un progresivo enfriamiento de las aguas del océano Pacífico tropical, el que se acopla paulatinamente con el comportamiento ya señalado de los vientos y de otras variables atmosféricas; al igual que El Niño, alcanza su máxima intensidad a finales de año (IDEAM, 2016).

Metodología

Para la realización de este análisis se utilizaron las mediciones de los últimos cinco años de variables atmosféricas en la ciudad de Barranquilla obtenidos por el IDEAM, instituto que comparte estos datos anualmente para diferentes propósitos. Las mediciones registran los valores diarios y por hora de las siguientes variables: temperatura con termómetro seco, temperatura con termómetro húmedo, humedad relativa, tensión de vapor y temperatura del punto de rocío, temperatura adherida, lectura de presión directa, presión convertida a nivel de estación, convertida a nivel medio del mar, ONH y ajuste altimétrico; así mismo, nubosidad, velocidad y dirección del viento.

Para realizar el análisis de estos datos, se estableció la siguiente metodología:

1. Selección de las variables meteorológicas a estudiar. Teniendo en cuenta la Tabla 1, se seleccionaron las variables de temperatura, humedad y presión como los parámetros que influyen mayormente en la formación de precipitaciones teniendo en cuenta su relevancia.

2. Selección de los datos a analizar, esto teniendo en cuenta que algunos datos de los sensores están incompletos debido a mal funcionamiento de estos, en consecuencia, esos datos no se tuvieron en cuenta.

3. Ordenamiento de los datos de acuerdo a las horas del día.

4. Tabulación y elaboración de gráficas de días representativos de cada mes.

5. Determinar el comportamiento de las variables seleccionadas en los períodos secos y de lluvia.

6. Los días representativos son seleccionados alrededor de aquellos días donde hubo presencia de lluvia.

7. Finalmente se encuentran patrones de comportamiento similares para definir condiciones en las que se presentaron lluvias.

Resultados y Discusiones

La Tabla 3 muestra las precipitaciones acumuladas durante los últimos cinco años, en donde el año más lluvioso fue el año 2011 y el menos lluvioso el 2015, teniendo en cuenta que la región Caribe colombiana se vio afectada durante ese año por el fenómeno de El Niño. Asimismo, los meses que se registró menor cantidad precipitaciones son los meses comprendidos entre enero y febrero, donde las precipitaciones en enero son nulas. Los meses con mayor número de precipitaciones son entre septiembre y noviembre, siendo octubre el mes que registra mayor precipitación acumulada.

Tabla 3. Precipitación acumulada anual y mensual.

Ene: Enero - Feb: Febrero - Mar: Marzo - Abr: Abril - May: Mayo - Jun: Junio - Jul: Julio - Ago: Agosto - Sept: Septiembre -Oct: Octubre - Nov: Noviembre - Dic: Diciembre.

Durante el año 2011, se puede observar que hay un comportamiento variante de las variables meteorológicas entre los meses más lluviosos y los más secos. Se seleccionó el mes con menor precipitación registrada (enero) y el mes con mayor precipitación (octubre), la Tabla 4 ilustra el comportamiento de las variables a través del día, utilizando los promedios de esos meses.

Tabla 4. Comportamiento promedio de las variables durante el mes de enero y octubre del 2011.

En el mes más lluvioso, octubre, se presentan valores promedio de presión y humedad más altas que en enero, mientras que en enero se registran un promedio de temperaturas más altas que en octubre. Lo que quiere decir que estas variables cambian notablemente al momento de la presencia de cambio de temporada seca a lluviosa. Se relaciona una muestra del mes de octubre en comparación con enero en la Tabla 5, con el objeto de identificar los rangos en los que se mantuvo las variables al momento de una precipitación y ausencia de esta.

Tabla 5. Rangos de las variables durante el mes de enero y octubre del 2011.

El comportamiento del mes de octubre muestra que ocasionalmente las precipitaciones se presentan a partir de las 7 A.M. y de ahí en adelante cada dos horas, con una duración promedio de 30 minutos a 1 hora. El día de mayor precipitación de agua fue el 15 de octubre del 2011 con 82,8 mm; la hora de mayor precipitación acumulada es 07:00 con 175,3 mm y la siguiente es 19:00 con 124,1. A pesar de lo anterior, la frecuencia de precipitaciones en la tarde es superior al resto del día, con 158,2 mm acumulados.

Las horas de mayor precipitación ocurrieron el 4 y 15 de octubre, a las 07:00 y 19:00 horas con 44,9 mm y 73,8 mm. En esos momentos de precipitación las variables tuvieron un comportamiento similar, mostrando lecturas de: 1014,0 HPA - 1014,3 HPA de presión, 25,5 °C -26,7 °C de temperatura, y 96% - 86% de humedad, respectivamente. Lo anterior es correspondiente con el comportamiento promedio de estas variables.

Conclusiones

El resultado de este trabajo muestra que durante la presencia de lluvias de corta duración y de alta peligrosidad para la ciudad de Barranquilla, se presentan cambios que alteran el comportamiento de la temperatura, presión y humedad, de tal forma que la tendencia es que justo después de un aumento continuo o disminución de estas ocurre una precipitación.

La comparación entre los meses de enero y octubre del 2011, da como resultado que la presencia de lluvia se da cuando hay mayor presión y humedad, y menor temperatura en temporada de lluvia que en sequía. Las horas de precipitación suelen ser posteriores al medio día o justo empezando el día, luego de la presencia o ausencia prolongada del sol. Estos resultados muestran un patrón de comportamiento que sirve de referencia para estudios de predicciones meteorológicas.

Agradecimientos

A la Universidad de la Costa por permitir el desarrollo del proyecto de grado de maestría "Modelo de evaluación de condiciones atmosféricas para la predicción de lluvias en la ciudad de Barranquilla", el que es fuente principal del desarrollo de este trabajo, a los ingenieros ambientales Elías González y Yuleisy Núñez por sus aportes y asesorías, a los integrantes del Grupo de investigación de ingeniería electrónica de la Universidad de la Costa (GIECUC) por su apoyo y orientación, y a los estudiantes del grupo de semillero GIECUC que contribuyeron activamente en el procesamiento de datos.

Literatura Citada

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Fecha de Recepción: 30 Noviembre, 2016. Fecha de Aceptación: 18 Mayo, 2017.

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