Willington Rentería

Nuestra opinión cotidiana de la atmósfera está limitada por nuestro ángulo de visión, de  hecho la manera en que podemos observarla  es desde su fondo hacia arriba. Además nuestro campo visual en alcance es de unos cuantos kilómetros. Sin embargo el entorno meteorológico que domina nuestro ambiente es de decenas de kilómetros de distancia. Gracias a los mapas de tiempo y los radares hemos extendido nuestra visión sobre algunos fenómenos, empero es el satélite meteorológico el que nos da una perspectiva formidable y completa sobre el clima. Los satélites son las plataformas desde las cuales la atmósfera y la superficie terrestre pueden ser  observadas desde fuera.

Con el lanzamiento de TIROS-1 en 1960, se pudo obtener las primeras imágenes de los patrones de nubes que vienen acompañados con las bajas presiones y los frentes. Las áreas de alta presión y de tiempo de cielo despejado  también llegaron a ser evidentes por su carencia general de nubes. El lanzamiento de TIROS culminó una larga marcha de  avances tecnológicos en la exploración del espacio y la electrónica. El uso de la electrónica para los sensores, el almacenamiento de información, y las transmisiones a la Tierra dependió de la más nueva tecnología del transistor.

Los mismos sensores dependieron  de la investigación de la televisión para sus imágenes. Los últimos sensores fueron consecuencias de esto y de las extensiones “solid-state”  donde la radiación térmica, tal como luz,  podría ser medida por la Tierra. Finalmente, las señales que se miden eléctricamente, se convierten a valores digitales para su almacenamiento y luego se transmiten  a la tierra. Allí, son producidas las imágenes visuales  con las que estamos familiarizados. Este último paso esta muy ligado al uso de herramientas informáticas que permiten su montaje, organización, e interpretación de datos.

El antecesor del satélite fue el radar,  este sistema emite energía electromagnética en bandas angostas que se propagan a través del espacio a la velocidad de la luz e interactúan con la materia a lo largo de su trayectoria. La distancia o el tiempo entre picos de onda define la longitud de onda, «l» (en centímetros) o el período de la onda «f» (en hertz). La longitud de onda del impulso radar está normalmente en el rango de 3 a 10 cm. (más específicamente 3, 5,6 ó 10 cm.). Cuando la onda electromagnética choca con partículas de agua (durante las lluvias), la energía es parcialmente absorbida, disipada y reflejada, una parte de la energía reflejada regresa al transmisor. El radar es por eso denominado un aparato eco-sonoro en el cual la distancia desde el transmisor al objetivo se mide por el tiempo que tarda un pequeño pulso de la energía electromagnética trasmitida en viajar al objetivo y regresar nuevamente después de ser reflejada. El azimut y la elevación en la cual está el objetivo es determinada por la dirección en la cual el pulso de energía fue trasmitida para chocar con él.

Primeros satélites meteorológicos

Por muchos años el radar suministro la principal fuente de datos detallando la estructura y el comportamiento de los sistemas meteorológicos a mesoescala. Solo a partir de los años sesenta, iniciando con el satélite TIROS-1 (Television and Infra-Red Observation Satellite) lanzado en abril 1960, los primeros satélites meteorológicos iniciaron a enviar imágenes aproximadas de los patrones de las nubes. Con el mejoramiento de los sensores semi-operacionales instalados a bordo en los nuevos satélites meteorológicos, los rasgos atmosféricos de las imágenes se hicieron más diferenciados. Los meteorólogos iniciaron intensos estudios para recolectar datos sobre las características de las nubes, la nieve y el hielo. El prometedor futuro de los sensores remotos desde el espacio se hizo más claro durante los programas espaciales dirigidos de los años sesenta: Mercury, Gemini y Apollo. Algunas cámaras fotográficas y otros instrumentos fueron incluidos en las cargas útiles de las naves espaciales. Por ejemplo uno de los vuelos orbitales terrestres del Apollo (Apollo 9) realizado antes del vuelo que se posó en la luna incluyó el primer experimento controlado de adquisición de fotografía orbital multiespectral.

El conocimiento y experiencia de la comunidad meteorológica fue nuevamente ampliado con los programas de satélites meteorológicos diseñados especialmente para asistir continuamente el monitoreo y las predicciones meteorológicas. Desde principios de los setenta numerosos países lanzaron varios tipos de satélites meteorológicos con diversos rangos de órbitas y diferentes tipologías de sensores. En este trabajo no es posible cubrir todos los programas de satelitales. Solamente serán mencionados unos pocos de los programas civiles más conocidos. El primero es la serie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) con varias generaciones de satélites. Estos satélites vuelan en órbitas casi polares. El instrumento a bordo, es el “Advanced Very High Resolution Radiometer” (AVHRR). Radiómetro Avanzado a muy Alta Resolución. El AVHRR tiene una resolución espacial de alrededor de 1,1 km en ángulo del nadir y de alrededor de 4 Km en el borde del campo visual del barredor. El ancho de cada línea de barrido es alrededor de 2.700 Km y la producción de imágenes de cualquier área es muy frecuente. Combinando las trayectorias de diferentes satélites que posean sensores AVHRR es posible obtener para algunas zonas frecuencias de barrido mayores. Las primeras series de los sensores AVHRR fueron instalados en los satélites TIROS-N, lanzados en septiembre de 1978 y en los siguientes satélites NOAA, 6-7-8-9-10. El radiómetro tenía cuatro bandas espectrales: una banda visible, una infrarrojo cercano (IR) y dos bandas IR-térmico. La segunda serie de los radiómetros AVHRR instalados en las plataformas NOAA 7 a 14 tienen 5 canales espectrales, con un canal más en la banda del IR-térmico, la cual es muy útil para aplicaciones meteorológicas. En la tabla 1 se muestra, la longitud, el rango de longitud de onda de cada canal de los sensores de AVHRR.

Canal	Rango de longitud de onda (ųm)	Aplicaciones Meteorológicas
1	0,5 – 0,68	Mapeo de nubes durante el día
2	0,72 – 1,1	Mapeo de nubes durante el día
3	3,55 – 3,93	Mapeo de nubes en horas nocturnas
4	10,3 – 11,3	Mapeo de nubes día y noche
5*	11,5 – 12,5	Mapeo de nubes día y noche

En la siguiente figura  se muestra un ejemplo del paso del NOAA-9 sobre Europa el 5 de noviembre de 1994 (Canal 5, banda 11,5 – 12,5 ųm). La imagen del infrarrojo térmico describe la estructura de banda del paso del frente frío sobre Francia antes del comienzo de la inundación de noviembre de 1994 que causó pérdidas de vidas y serios daños en la región Piedemonte – Italia.

El satélite meteorológico más popular en Europa es el METEOSAT, originalmente concebido por la autoridad espacial y meteorológica de Francia, fue cedido a la ESA (European Space Agency) Agencia Espacial Europea, para las fases de desarrollo, lanzamiento y operación.  METEOSAT, fue lanzado por primera vez en noviembre de 1977 y continuó su operación normalmente por un período de dos años, sucesivamente la ESA procedió al lanzamiento de otros satélites meteorológicos. METEOSAT es un satélite geoestacionario que gira a la tierra con el mismo período y por lo tanto tiene una posición fija en relación al suelo. El tiene una posición nominal en el Meridiano de Greenwich sobre el ecuador a una altitud de alrededor de 36.000 Km

Desde su posición ventajosa METEOSAT ve el disco hemisférico entero de la tierra. La frecuencia de repetición está por lo tanto limitada por el tiempo que él tarda en hacer el barrido y relevar una imagen. METEOSAT, lleva un radiómetro multiespectral que consiste en un telescopio de gran abertura y usa una serie de espejos para enfocar las señales obtenidas óptimamente por las cámaras, los cuales convierten la información en una señal que se trasmite a la estación terrena. El escáner toma alrededor de 25 minutos para un barrido completo del disco de la tierra. Luego se necesitan 5 minutos para el procesamiento y transmisión de los datos. Como resultado el sensor da una imagen del disco completo en tres bandas diferentes: visible – cercano (0,4-1,1 ųm), absorción de vapor de agua (5,7-7,1 ųm ) e IR-térmico (10,5-12,5 ųm) cada 30 minutos. La resolución espacial de la imagen es nominalmente 2,5 Km bajo el satélite en la banda visible y 5 Km en las otras bandas. Debido a la curvatura de la tierra, resulta que a 45ºN, las resoluciones decaen respectivamente a 3,5 y 7 Km y permite sólo la discriminación de características de gran escala de la escena, no obstante esto la información es muy útil en la estimación de los campos de lluvias. La mayor ventaja de este satélite es la resolución en tiempo de la transmisión de imágenes: 30 minutos es suficiente para detectar los mayores rasgos dinámicos de las tormentas organizadas en meso-escala hasta escala sinóptica. METEOSAT es sólo una parte de la red global de satélites meteorológicos distanciados aproximadamente 70º en longitud alrededor del planeta. Mientras que METEOSAT es un sistema Europeo, sistemas similares están en operación o planeados por USA, Japón y la ex Unión Soviética. Por ejemplo el satélite GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) es un proyecto cooperativo entre NOAA y NASA. Las imágenes GOES son generadas dos veces en la hora en bandas visible e IR-térmico. La banda visible opera durante las horas del día y la banda IR opera día y noche. Las imágenes METEOSAT y GOES son distribuidas en tiempo casi real para uso de pronósticos meteorológicos locales. La siguiente figura muestra un ejemplo de imagen IR suministrada por METEOSAT sobre Europa

Uso de datos visibles e infrarrojos

La estimación de lluvias a partir de datos de satélite fue intentada inmediatamente después del lanzamiento de las primeras naves espaciales. Un problema substancial es que ningún sensor a bordo de los satélites mide lluvia en forma directa. Por lo tanto es necesario utilizar alguno de los numerosos métodos que han sido desarrolladas para inferir estimaciones cuantitativas de lluvias desde datos de satélite. La mayor parte de tales métodos se basan en relaciones empíricas y en el hecho que en la banda infrarrojo visible – cercano las nubes con la más alta radiación tienen la mayor probabilidad de producir lluvias.

En la banda del infrarrojo térmico nubes más frías denotan formaciones propensas a las precipitaciones. El contenido predictivo de tal estimación es alto pero los intervalos de confianza en la estimación de la lluvia en el suelo son muy grandes, debido a que no hay información sobre la dinámica del sistema nuboso y la microfísica de la fase líquida en las imágenes. La lluvia desde el satélite se obtiene a partir de las propiedades de las nubes; sin embargo algunas relaciones físicas importantes, tales como altura de la nube y precipitación no pueden establecerse en modo absoluto.

Se han desarrolladas muchas técnicas para estimar las precipitaciones usando datos infrarrojos y visibles. Estas técnicas han conducido al desarrollo de tres metodologías: el procedimiento del umbral, el procedimiento del índice de nube y el procedimiento de la historia de vida.

Las técnicas del umbral consideran que todas las nubes con bajas temperatura en la superficie superior son nubes de lluvias.

El índice de nube fue la primera técnica desarrollada para la estimación de lluvias. Un coeficiente de lluvia (o índice de nube) se obtiene a partir del brillo o textura de las imágenes visibles o infrarrojos. Este índice es sucesivamente relacionado por ecuaciones de regresión con observaciones de lluvias en pluviógrafos. En general esta técnica es usada sea por los satélites de órbita polar que geoestacionarios, sin embargo el procedimiento involucra un alto grado de interpretación subjetiva del analista. En general esta técnica trabaja bien sólo para nubes convectivas en oposición a nubes frontales.

El método de la historia de vida de la nube está basado en la hipótesis que la lluvia producida por nubes convectivas es directamente proporcional al área de nubes y a la tasa de crecimiento de esa área. Este tipo de técnica requiere imágenes de satélite a intervalos muy frecuentes que solamente pueden ser provistas por satélites geo-estacionarios.

Es posible obtener estimas mejores combinando la información de diferentes bandas espectrales. Por ejemplo sensores visibles proveen información de la profundidad de las nubes, su geometría y composición, mientras sensores infrarrojos proveen información sobre la temperatura al tope de la nube y por consiguiente indirectamente de la elevación de los topes de las nubes. Tal como descrito por Lovejoy y Austin (1979) la combinación de datos visible e infrarrojo permite obtener estimaciones más realistas de la precipitación ya que los datos infrarrojos solos no pueden remover los cirros fríos y tenues que no precipitan y los datos visibles solos no pueden remover la capa límite de nubes densas que no precipitan. La combinación de esta información permite reconocer los topes elevados de nubes asociados con nubes profundas, las cuales generalmente producen abundantes lluvias. Existen sin embargo diferentes problemas operativos que dificultan la plena integración entre imágenes provenientes de diferentes satélites, entre estos se destaca errores de registración, errores de calibración de instrumentos, diferencias de tiempo entre imágenes y geometría de la iluminación. Trabajos de investigación han demostrado que algunos de estos problemas pueden ser superados, en particular el sistema FRONTIERS (Forecasting Rain Optimized Using New Technique of Interactively Enhanced Radar and Satellite -Reino Unido) utiliza esta técnica en modo operativo.

Recientemente se ha propuesto un procedimiento en el cual se calcula la integral Area- Tiempo (ATI) de las áreas nubosas a lo largo del período de vida de la tormenta y se relaciona con el volumen total de la lluvia. Investigaciones recientes confirman que esta técnica ofrece mejores resultados en el caso de lluvias convectivas.

En los últimos 20 años la investigación satelital sobre lluvias ha llevado al desarrollo de diferentes técnicas utilizando sea datos visibles y/o infrarrojos. La experiencia ha demostrado que:

– La precipitación se pueden estimar por técnicas visibles y/o infrarrojo, sin embargo la estima de las lluvias convectivas presenta una mayor confiabilidad respecto a las lluvias estratiformes.

– En regiones costeras, las lluvias pueden caer desde nubes con topes relativamente cálidos presentando problemas para las técnicas basadas solamente en radiación infrarroja.

– Condiciones meteorológicas extremas pueden indicar eventos de lluvias de muy alta intensidad en áreas limitadas.

– Nubes con apariencia similar pero asociadas con diferentes tipos de sistemas meteorológicos, o localizados sobre diferentes tipos de terrenos, pueden estar asociados a muy diferentes intensidades de lluvias.

Uso de radiación de microondas

Como consecuencia de las limitaciones de utilizar solo técnicas visible/infrarroja para el diagnóstico de lluvias, se ha prestado una creciente atención a la posibilidad de utilizar datos de microondas pasivas (aproximadamente 10-0,1 cm. de longitud de onda) como complemento útil para mejorar el monitoreo de las lluvias (La Barbera and Lanza, 1995). Uno de los primeros instrumentos usados para medir la radiación natural en la región de microondas fue ESMR-5 (Electrically Scanning Microwave Radiometer) lanzado en el NIMBUS- 5 en 1972. La frecuencia de microondas medida por este radiómetro era 37 GHz y la resolución espacial era 25 Km en el ángulo del nadir y 160 x 45 km2. en el borde de la línea de barrido. En la carga del satélite NIMBUS-7 lanzado en noviembre de 1978, se encontraba también con el SMNR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) – radiómetro de barrido de microondas multicanal con cinco canales microondas en la banda desde 6,6 a 37 GHz. La resolución espacial abarcaba desde 33 a 245 Km y el período entre trayectorias sobre la misma área era de 6 días.

Respecto a las técnicas visibles e infrarrojas el uso de la región de las microondas del espectro electromagnético tiene la ventaja de hacer mediciones completas de la precipitación puesto que a esta frecuencia las nubes son total o parcialmente transparentes (Curtis, 1991). Mediciones de precipitación con microondas pasiva son de dos tipos: absorción – emisión (por gotas de lluvia) y métodos de dispersión (por partículas de hielo). El primer método requiere un fondo frío y por lo tanto se aplica sobre el mar. La razón para esto es que los océanos tienen una muy baja emisión de microondas contra lo cual es posible detectar la emisión y absorción selectiva de la energía térmica dirigida desde las gotas de lluvia, proveyendo por lo tanto, un vínculo físico directo entre la lluvia y la radiación de observación del satélite. Esta técnica no trabaja bien sobre el terreno debido a las altas y muy variables emisiones de microondas encontradas, y porque pueden ser muy similares a aquéllas producidas por la lluvia que cae.

Algunas de las limitaciones e incertidumbres asociadas con este método son:

1) Para un dado periodo de tiempo el parámetro de radiación, es derivado de un valor instantáneo de la cantidad de agua de lluvia integrada sobre la vertical extendida en la nube y no la cantidad de lluvia cayendo a la superficie en el período de tiempo.

2) El denominado efecto de saturación (la lluvia fuerte no está directamente relacionada con la temperatura del brillo) limita el rango dinámico de lluvia el cual puede ser derivado de una nube dada.

3) La absorción debida a gotas que no precipitan, se incluye en la absorción total y en algunos casos puede resultar en una gran sobreestimación de la lluvia.

El método de dispersión puede ser aplicado sobre terrenos así como sobre la superficie del océano. Por encima de 60 GHz la dispersión es el proceso dominante respecto a la emisión y absorción de energía. La precipitación se estima al interior de una columna la cual actúa como un espejo para reflejar hacia el sensor del satélite la radiación cósmica fría entrante. Este proceso permite la observación de lluvia sobre cualquier tipo de fondo, sin embargo debido a que la dispersión se debe principalmente a las hidrometeoras congeladas a altas elevaciones, la relación con intensidad de lluvia es menos directa que en el caso de absorción el cual observa la totalidad de la columna de lluvia.

Actualmente se está concentrando la atención en investigar la habilidad del Sensor Especial de Imágenes Microondas (SSM/I) (Special Sensor Microwave Imagery) del Programa de Satélite de Defensa Meteorológica de Estados Unidos que ha estado en órbita polar desde 1988 para medir la precipitación. El sensor opera en cuatro frecuencias: 19.35 ; 22.235 ; 37.0 y 85.5 GHz. Las resoluciones en el terreno asociadas con estas frecuencias son las siguientes: 69 x 43; 60 x 40; 37 x 28; 15 x 13 km2. Como se indicó antes, a excepción de las altas latitudes existe el problema de la baja frecuencia de muestreo, en efecto el SSM/I pasa sobre cualquier punto de la superficie de la tierra como máximo dos veces al día. Por lo tanto aunque las técnicas de microondas ofrecen un gran potencial debido a las relaciones directas que se pueden establecer entre las radiaciones a esta longitud de onda y la precipitación, en general la baja disponibilidad de datos de microondas de los satélites geoestacionarios la hacen menos atractiva para aplicaciones hidrológicas orientadas a la mitigación de riesgos de inundaciones.

Recientemente los científicos en sensores remotos han tomado en consideración la posibilidad de hacer análisis integrados de datos de SSM/I y METEOSAT para mediciones de precipitación. Nuevas técnicas basadas en el uso integrado de datos de microondas y visible – infrarrojo utilizarían el potencial de éstas y podrían ayudar a resolver numerosos problemas que afectan a las técnicas basadas en el uso separado de datos de microondas o visible-infrarrojo. Las mediciones visible – infrarrojo son indirectas y estadísticamente relacionadas con la precipitación ya que la señal visible – infrarrojo atribuye propiedades termodinámicas y microfísicas al tope de la nube. Las relaciones empíricas usadas para obtener información sobre precipitación tienen solo validez estadística y su aplicabilidad depende fuertemente de parámetros locales y temporales. Por el otro lado los datos METEOSAT tienen la necesaria resolución espacial y temporal para una eficiente medición de la lluvia y posiblemente para predicciones sobre áreas grandes para pronosticar crecientes torrenciales. Contrariamente los datos de microondas de satélite están directamente ligados a la estructura microfísica del conjunto de nube en relación con el contenido de agua y la precipitación. Es claro que si los datos de microondas serán disponibles en el próximo futuro, esta información podría ser utilizada para obtener información detallada sobre la estructura microfísica del conjunto de nubes y para calibrar técnicas infrarrojas al fin de monitorear tormentas que se acercan al área de interés. Eventualmente las imágenes infrarrojas podrían ser usadas para un control continuo y de alta resolución espacial de la evolución de las estructura de las nubes.

El desarrollo de técnicas que combinen imágenes polares de microondas y geoestacionarias infrarrojas permitirá mejorar nuestra comprensión de los sistemas climáticos