Principales objetivos científicos
- Monitorización a largo plazo del vapor de agua y su relación con el cambio climático mediante:
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- Observaciones de alta calidad del contenido total de la columna de vapor de agua precipitable (PWV) y perfil vertical con diferentes metodologías.
- Estudio de series medias mensuales, estacionales y anuales, analizando su homogeneidad y evaluando sus anomalías y evolución temporal para detectar posibles tendencias.
- Análisis de la variabilidad intra horaria así como de los ciclos medios diarios y anuales del PWV para diferentes localizaciones y altitudes del archipiélago canario.
- Estimación del forzamiento radiativo debido al vapor de agua.
Instrumentación y medidas
En este programa se utilizan varias técnicas de medición. La Figura 1 muestra una visión general de algunas de las técnicas e instrumentos utilizados en la medida del vapor de agua.
Figura 1: (a) Radiosonda Väisala RS41, (b) Receptor GNSS, (c) Espectrómetro FTIR, (d) Fotómetros solares CIMEL y (e) Espectrorradiómetro EKO MS-711 instalado en el Observatorio de Izaña.
Técnica radiométrica
La técnica radiométrica para obtener el contenido total de vapor de agua precipitable en la columna atmosférica consiste en medir la radiación solar o lunar directa que llega a la óptica de un fotómetro en canales de banda estrecha en torno a los 941 nm donde la absorción de energía infrarroja del vapor de agua presente en la atmósfera es significativa. La ley de Bouguer-Lambert-Beer es la base para obtener el contenido de vapor de agua a partir de la radiación solar o lunar directa visible e infrarroja aplicando la técnica modificada de Langley. A partir de esta técnica, podemos obtener las irradiancias extraterrestres para 941 nm y extraer la constante de calibración correspondiente del canal del radiómetro. En IZO, esta técnica se aplica, desde 2003, con un fotómetro solar y lunar CIMEL CE318T perteneciente a la red AERONET (AErosol RObotic NETwork) y, desde 2016, con un espectrorradiómetro EKO MS711. Estos radiómetros están montados sobre seguidores que alinean la óptica de los instrumentos hacia la fuente de luz (disco solar o lunar) que corresponde al tipo de fotómetro.
Radiosondas Vaisala RS92 and RS41
A partir de los perfiles verticales de humedad relativa obtenidos con radiosondas, se calcula el contenido de agua precipitable en la columna atmosférica en mm integrando numéricamente (utilizando la regla del trapezoide) la función de densidad del vapor de agua atmosférico para la base y el tope de cada estrato atmosférico (Romero-Campos et al., 2012).
Donde, es la humedad relativa (%) y t es la temperatura (°C). La integración se realiza desde el nivel del suelo hasta los 12 km de altitud. Por defecto, el perfil PWV se suministra para las siguientes capas: 1) desde el suelo hasta 1.5 km; 2) desde 1.5 km hasta 3 km de altitud en capas de 0.5 km de espesor; 3) desde 3 km de altitud hasta 12 km en capas of 1 km de espesor (Figura 2).
Figura 2. Contenido mensual de PWV por capas a partir de radiosondas en IZO a las 12 UTC. 1995-2024. Agosto y septiembre son los meses con mayor contenido de PWV y de enero a marzo es cuando la atmósfera está más seca,
A partir del 13 de diciembre de 2017, las radiosondas Vaisala RS92 han sido sustituidas por las radiosondas Vaisala RS41. La radiosonda RS41 tiene una resolución temporal más alta (1 s) en comparación con la radiosonda RS92 (2 s). Esto da como resultado un mayor número de niveles en los perfiles verticales de presión, temperatura y humedad. Sin embargo, a grandes altitudes (~14 km en la estratosfera), hemos detectado con frecuencia una ligera disminución de la altitud en los datos de la radiosonda RS41. Podría deberse a la combinación entre una resolución temporal excesivamente alta y tiempos de respuesta más largos y errores de los diferentes sensores meteorológicos y GNSS. Por estos motivos, esos registros se filtran de los archivos antes de evaluarlos.
A nivel de la estación de Izaña (~2400 m.s.n.m.) nos encontramos en la troposfera libre. A esta altitud no se esperan fuertes inhomogeneidades en las magnitudes integradas en columna como el PWV obtenido de las diferentes radiosondas de Väisala. Sin embargo, analizaremos la homogeneidad de las series medias mensuales y anuales para la columna total de PWV y caracterizaremos la intensidad en los posibles puntos de ruptura siguiendo la metodología descrita en (Lanzante, 1996).
La Figura 3 muestra la evolución en el tiempo de la serie de PWV media anual de las radiosondas en IZO a las 0UTC y 12UTC. En ella, podemos ver períodos húmedos con medias anuales superiores a la media del período total y períodos secos con medias anuales inferiores. 2005 fue un año especialmente húmedo y a partir de 2020, parece que estamos entrando en un nuevo período húmedo.
Figura 3. Evolución en el tiempo de las medias anuales de PWV de las radiosondas en IZO a las 0UTC y 12UTC.
Técnica del Sistema Global de Navegación por Satélite
La técnica del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) consiste en la determinación del PWV en la columna atmosférica a partir del retraso observado en las señales de radio en dos frecuencias diferentes emitidas por una red de satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y GLONASS recibidas en nuestro receptor GNSS.
La presencia de la atmósfera provoca un retraso en la llegada de las señales de radio enviadas desde la constelación de satélites a los receptores GNSS terrestres debido a la refracción atmosférica. Este retraso, llamado retraso total cenital (ZTD), se puede expresar en unidades de distancia (mm). Parte de este retraso se debe a la atmósfera seca (retardo hidrostático cenital, ZHD) y parte se debe al vapor de agua contenido en la atmósfera (retardo húmedo cenital, ZWD). Por lo tanto: ZTD = ZHD + ZWD. El PWV se puede obtener, aproximadamente, como PWV=0,15*ZWD (Romero-Campos et al., 2009).
Actualmente, trabajamos con once estaciones receptoras GNSS a distintas alturas, diez de ellas en Tenerife y una en la isla de La Palma (Figuras 4 y 5). Esta red GNSS y la adquisición de datos están gestionadas por el Instituto Geográfico Nacional (IGN).
La presión atmosférica en los lugares donde se ubican las antenas GNSS es un parámetro clave para obtener el retraso hidrostático cenital. Por ello, es importante disponer de un barómetro situado junto al receptor GNSS o lo más cerca posible de él. Sin embargo, esto no siempre es así.
Por este motivo, una de las tareas más importantes que llevamos a cabo es la estimación de la presión en los emplazamientos GNSS en los que no se dispone de medidas de presión superficial. Para ello, interpolamos tridimensionalmente las temperaturas de la red de estaciones meteorológicas de las islas de Tenerife y La Palma considerando una relación lineal entre las temperaturas medidas a dos niveles de altitud diferentes y aplicando la relación entre presión, temperatura y gradiente vertical de temperatura obtenida combinando la ecuación hidrostática y la ley de los gases perfectos.
Figura 4. Mapa de Estaciones GNSS y Meteorológicas en las islas de Tenerife y La Palma.
Figura 5. Coordenadas de Estaciones GNSS y Meteorológicas en las Islas de Tenerife y La Palma.
En la Figura 6, mostramos el ciclo medio anual para GNSS PWV en IZO. 2009-2024.
Figura 6. Ciclo medio anual para GNSS PWV y su desviación estándar en IZO. 2009-2024.
El mes más húmedo en IZO es agosto.
Radiómetro de microondas
Con el objetivo de apoyar y mejorar la resolución temporal de los perfiles de temperatura y humedad de los sondeos y aumentar el número de días y el número de intervalos diarios de adquisición de datos, en mayo de 2020 se instaló en la Torre de Medidas de IZO a 2400 m.s.n.m. un radiómetro de microondas de alta precisión para perfilado atmosférico continuo, especialmente diseñado para la medida de vapor de agua en atmósferas muy secas (PWV < 3 mm) (Figura 7). El modelo adquirido es la serie RPG-LHATPRO-G5 de Radiometer Physics Rohde & Schwarz Company que nos permitirá obtener perfiles verticales de temperatura y humedad troposférica con una resolución espacial vertical de 200 m a 400 m, dependiendo del nivel de altitud, y una resolución temporal de 1 minuto. Funciona con dos receptores, uno de seis canales de banda estrecha centrado sobre la línea de vapor de agua de 183 GHz para obtener perfiles de humedad y vapor de agua y, el otro, de siete canales de banda estrecha centrado sobre la línea de absorción de oxígeno de 60 GHz para perfiles de temperatura.
La temperatura de brillo está relacionada con la radiación espectral del cuerpo negro a través de la ley de Planck. Dado que las microondas son radiaciones electromagnéticas de baja frecuencia, la relación entre la radiación y la temperatura de brillo dada por la ley de Planck se puede aproximar, para cada frecuencia de trabajo, mediante una relación lineal consistente con la aproximación de Rayleigh-Jeans. Esta relación lineal entre la radiación y la temperatura de brillo sirve como base para el proceso de calibración que transformará el voltaje correspondiente a la radiación recibida en los diversos canales en temperaturas de brillo. A partir de las temperaturas de brillo, se obtendrán los diferentes productos, como PWV, mediante un algoritmo de inversión basado en Redes Neuronales Artificiales (ANN).
Figura 7. Radiómetro de microondas RPG-LHATPRO- G5 instalado en IZO a 2400 m.s.n.m.
El 20 de enero de 2021, solicitamos la incorporación del radiómetro de microondas como instrumento de medidas en el programa de elaboración de perfiles E-PROFILE y el 11 de marzo de 2021, IZO fue incluido en una lista de estaciones potenciales de la nueva red E-PROFILE MWR, que aún se encuentra en desarrollo y no está operativa hasta la fecha. El 24 de marzo de 2023, el MWR fue registrado oficialmente en E-PROFILE y los datos brutos en archivos horarios se envían automáticamente y se procesan a través de un sistema centralizado como parte de un programa piloto. Actualmente, Met Office y MeteoSwiss están trabajando en productos L1 y su difusión, mejorando los controles de calidad y estableciendo un seguimiento diario basado en la observación y la simulación de la temperatura de brillo.
En diciembre de 2023, hemos realizado una intercomparación del PWV obtenido a partir de las diferentes metodologías y técnicas descritas con el fin de caracterizar experimentalmente el límite de detección de esta variable para cada una de las técnicas, su exactitud y precisión, así como su dependencia de otros factores (Romero-Campos et al., 2023):
(https://www.aemet.es/documentos/es/conocermas/recursos_en_linea/publicaciones_y_estudios/publicaciones/NT_%2040_%20AEMET/NT_40_AEMET.pdf).
Se ha establecido un umbral de 1,7 mm que determinará cuándo las medidas de IWV realizadas por diferentes técnicas pueden considerarse trazables entre sí.
También se establece que en estudios en los que tengamos lagunas de datos en la serie IWV de radiómetros de microondas, las técnicas más adecuadas para rellenar dichas lagunas serían FTIR durante el día y radiosondas RS41 durante la noche.
En la Figura 8, mostramos las series medias mensuales de radiosondas RS41, GNSS y MWR en IZO a las 12 UTC. Vemos cómo las series son similares con el mismo comportamiento cualitativo y cuantitativo. Estas series mensuales se han obtenido utilizando meses en los que al menos el 60 por ciento de los datos están disponibles. Por el momento, no hemos detectado ninguna inhomogeneidad ni tendencia significativa en la serie PWV, ni durante el día ni durante la noche.
Figura 8. Promedios mensuales de la serie PWV en IZO a las 12 UTC. En azul, PWV de radiosondas; en rojo, PWV de GNSS y en verde, PWV de MWR
Referencias
Romero-Campos P.M., García Cabrera R.D., Almansa Rodríguez A.F., Barreto Velasco Á., García Rodríguez O.E., Ramos López R. Medida del vapor de agua integrado en columna sobre el Observatorio Atmosférico de Izaña mediante radiometría de microondas. Comparación con otras técnicas. Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). NIPO: 666-23-008-5. 2023.
Romero-Campos P.M., Marrero C., Alonso S., Cuevas E., Afonso S., and Ortiz de Galisteo J.P.: Una Climatología del Agua Precipitable en la Región Subtropical sobre la Isla de Tenerife basada en Datos de Radiosondeos. NTD Nº 6 de AEMET. NIPO: 281-12-007-5. Centro de Investigación Atmosférica de Izaña. Agencia Estatal de Meteorología (España), 2012.
Romero-Campos P.M., Cuevas Agulló E., Ramos López R., Valdés Pérez de Vargas M., Schneider M. Programa de vapor de agua en columna del Centro de Investigación Atmosférica de Izaña: Análisis e intercomparación de diferentes técnicas de medida. NTD N° 1 del CIAI. Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). NIPO: 784-09-009-9. 2009.
Lanzante, J., Resistant, Robust and Non-Parametric Techniques for the Analysis of Climate Data: Theory and Examples, including Applications to Historical Radiosonde Station Data. International Journal of Climatology, Vol. 16, 1197-1226, CCC 0899-8418/96111197-30, by the Royal Meteorological Society, 1996.
Publicaciones
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Barreto, A., Cuevas, E., Damiri, B., Romero, P. M., and Almansa, F.: Column water vapor determination in night period with a lunar photometer prototype, Atmos. Meas. Tech., 6, 2159-2167, doi: 10.5194/amt-6-2159-2013, 2013.
Barreto, A., Cuevas, E., Granados-Muñoz, M. J., Alados-Arboledas, L., Romero, P. M., Gröbner, J., Kouremeti, N., Almansa, A. F., Stone, T., Sorokin, M., Holben, B., Canini, M., and Yela, M.: The new sun-sky-lunar Cimel CE318-T multiband photometer – a comprehensive performance evaluation , Atmos. Meas. Tech., 9, 631-654, 2016 doi: 10.5194/amt-9-631-2016.
García, O. E., Schneider, M., Sepúlveda, E., Hase, F., Blumenstock, T., Cuevas, E., Ramos, R., Gross, J., Barthlott, S., Röhling, A. N., Sanromá, E., González, Y., Gómez-Peláez, Á. J., Navarro-Comas, M., Puentedura, O., Yela, M., Redondas, A., Carreño, V., León-Luis, S. F., Reyes, E., García, R. D., Rivas, P. P., Romero-Campos, P. M., Torres, C., Prats, N., Hernández, M., and López, C.: Twenty years of ground-based NDACC FTIR spectrometry at Izaña Observatory – overview and long-term comparison to other techniques, Atmos. Chem. Phys., 21, 15519–15554, https://doi.org/10.5194/acp-21-15519-2021, 2021.
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Schneider, M., Romero, P. M., Hase, F., Blumenstock, T., Cuevas, E., and Ramos, R.: Continuous quality assessment of atmospheric water vapour measurement techniques: FTIR, Cimel, MFRSR, GPS, and Väisala RS92, Atmos. Meas. Tech., 3, 323–338, https://doi.org/10.5194/amt-3-323-2010, 2010.
Personal integrante
Pedro Miguel Romero Campos (Head of programme)
Dra. África Barreto Velasco (Research Scientist)
Dra. Rosa Delia García Cabrera (Research Scientist)
Dr. Antonio Fernando Almansa Rodríguez (Research Scientist)
Dra. Omaira Elena García Rodríguez (Research Scientist)
Ramón Ramos López (Head of Infrastructure)