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José Francisco Cantú Dávila1, René Bernardo Elías Cabrera Cruz1,
Juana Treviño Trujillo1 Julio César Rolón Aguilar1, Roberto Pichardo Ramírez1, Alberto José Gordillo Martínez2
1Facultad
de Ingeniería “Arturo Narro Siller”. División de Estudios de Posgrado e Investigación. Cuerpo Académico en Medio Ambiente y Desarrollo Sustentable. Universidad Autónoma de
Tamaulipas. Centro Universitario Tampico-Madero. C.P. 89138. Tel. (01)-833-241-20-00 Ext 3541, Ext 3451 (fax). *Correo electrónico: rcabreracruz@yahoo.com.mx
2Centro de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Ciudad del Conocimiento, Carr. Pachuca-Tulancingo Km. 4.5. Pachuca, Hgo., Tel. (771) 717-2000 ext. 6501, Fax
(771) 717-2000 ext. 6502.
Sede regional:
Noreste
Contenido
• Introducción
• Antecedentes
• Objetivo
• Metodología
• Desarrollo
• Resultados y Discusión
• Conclusiones
Introducción
Definición:
La isla de calor urbana (ICU), se define como el gradiente térmico
del aire entre la ciudad y la zona rural circundante. Producto de
la sustitución de superficies naturales por superficies artificiales
impermeables y la generación de calor antropogénico .
Introducción
La trascendencia económica y social que en la actualidad tiene el
fenómeno ICU por su incidencia sobre el confort térmico, la salud y la
calidad del aire exterior, explican el interés como tema de estudio. Su
estudio está dirigido al conocimiento de sus rasgos generales, como la
frecuencia e intensidad, su configuración espacial horizontal y vertical, la
localización del máximo térmico y el análisis de sus variaciones
temporales.
Antecedentes
Variables que intervienen en la formación de la ICU.
Antecedentes
El cambio climático causado por el aumento de las emisiones antropogénicas de
gases de efecto invernadero (GEI) es una amenaza climática a largo plazo con el
potencial de alterar la intensidad, el patrón temporal y la extensión espacial del
fenómeno de ICU.
El calor extremo es un peligro real para la salud humana que empeora con el
tiempo. El efecto ICU se manifiesta en la mayoría de las ciudades de todo el
mundo y potencia los eventos de calor extremo. Los expertos proyectan que a
medida que evolucionen los cambios climáticos, los eventos de calor extremo en
los Estados Unidos se harán más frecuentes, de mayor duración y más severos
(Karl, 2009).
Las principales preocupaciones de salud, que se espera que aumenten en función
del Cambio Climático son la morbilidad y la mortalidad relacionadas con el calor.
Objetivo
Determinar las capacidades y limitaciones de las técnicas
utilizadas para la investigación del fenómeno ICU, haciendo
énfasis en los modelos simplificados de balance de energía
que son métodos que permiten determinar la influencia del
cambio de clima en el nivel local y son compatibles con el
estudio del cambio climático a escala global.
Metodología
Se realizó una investigación en bases de datos especializadas
como fueron ACS, AMS, Annual Reviews 2012 Sciences
Collection, BioONe, Cambridge University Press, EBSCO,
Science Direct Freedom Collection, Emerald, Springer Link,
Thomson Reuters y Wiley. En diferentes disciplinas como
Clima Urbano, Estudios Ambientales, Salud Pública,
Medioambiente y Cambio Climático.
Desarrollo
Desarrollo
Resultados y Discusión
Modelos Observacionales
MEDICION DE CAMPO
Medición de Campo.
En esta técnica, el patrón de temperatura de la superficie urbana es comparado con el del
área rural. Esto implica el análisis de datos estadísticos sobre las diferencias térmicas urbanorurales sobre la base de pares de estaciones o grupos de estaciones fijas o móviles.
CAPACIDADES
LIMITACIONES
Uso de redes estacionarias o móviles.
Número limitado de estaciones moviles.
Validación de Modelos Matemáticos.
Red estacionaria limitada.
Configuración de condiciones de contorno
para esquemas de simulación.
Uso limitado de parámetros
que se miden.
Utilización en la estimación de ICU
en lugares de difícil acceso.
Mediciones por un largo periodo
de tiempo.
Muy costoso en el desarrollo y la instalación
de dispositivos de medición.
Debilidad en el análisis de datos.
Modelos Observacionales
TELEDETECCION
TERMICA
Teledetección Térmica.
En esta técnica, la observación remota térmica de ICU se realiza mediante el uso de
plataformas de satélites, aviones y helicópteros, por medio de sensores.
CAPACIDADES
Medición de la temperatura con efectos de
propiedades radiativas y termodinámicas
de la superficie, incluyendo humedad,
emisividad, albedo y la entrada por
irradiación en la superficie.
Configuración de condiciones de contorno
para esquemas de simulación.
Utilización en la estimación en lugares
de difícil acceso.
Uso en el estudio de ICU atmosférica.
LIMITACIONES
Muy costoso cuando
se utilizan aeronaves.
Discontinuidad de imágenes
de superficie urbana.
Uso de un modelo de conversión fiable
entre la radiación recibida por los
sensores del satélite y temperaturas
reales de superficie.
No captura el campo vertical del
dominio de estudio.
Métodos de Simulación
Además de los enfoques de observación, se han desarrollado modelos matemáticos, para
resolver los problemas climáticos urbanos incluyendo ICU. Sin embargo, debido a la
complejidad de la ICU, generalmente se requieren grandes simplificaciones. Sin embargo, las
técnicas computacionales han avanzado ampliamente en las últimas dos décadas, y esto ha
permitido a los investigadores resolver modelos matemáticos de problemas a gran escala.
Entre estos modelos, el balance de energía obtiene resultados confiables y satisfactorios.
Métodos de Simulación
Modelo de Dosel Urbano (UCM).
MODELO DE
DOSEL URBANO
Este modelo se deriva de la ecuación de Balance de Energía para un volumen de
control que contiene dos edificios adyacentes, donde todas las superficies y
volúmenes de control están conectados uno al otro como nodos eléctricos. La
ecuación [1] se aplica a cada nodo, generando una matriz de temperatura y
humedad. Al resolver las matrices se obtiene la temperatura y humedad relativa
del dominio.
CAPACIDADES
Proporciona una presición aceptable para los
estudios de consuma de energía.
Se puede desarrollar en una, dos o tres
dimensiones.
Predice temperatura ambiente y temperatura
de superficies de edificios, aceras y calles.
Es muy rápido y de bajo costo computacional.
Resolución Espacial de 1 a 10 m.
LIMITACIONES
Campo de velocidades disociadas de la
temperatura y la humedad.
Asunción de una morfología
urbana homogénea.
Resolución limitada de la geometría urbana.
Desprecia el efecto atmosférico.
Asunción de hipótesis empírica de
calor latente y calor sensible.
Desacoplamiento de términos en la
Ecuación de Balance de Energía.
Métodos de Simulación
Modelo de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).
MODELO DE
DINAMICA DE
FLUIDOS
COMPUTACIONAL
Esta técnica se utiliza para modelar la respuesta térmica de la superficie y la
temperatura del aire ambiente de un sistema urbano, considerando el flujo de los
campos de velocidad y temperatura. Resolviendo simultáneamente todas las
ecuaciones que rigen los flujos dentro de las áreas urbanas se obtiene una mayor
precisión de la distribución de la ICU.
CAPACIDADES
Considera asociados los campos de
velocidad y temperatura.
Acepta modelización de la turbulencia.
Puede ser usado en escalas meso y micro.
Produce información precisa de la distribución
de ICU
Resolución Espacial variable de acuerdo
a la escala.
Resolución Temporal variable (de 1 minuto en
meso-escala y 1 segundo en micro-escala).
LIMITACIONES
Asunción constante de la rugosidad.
Requiere datos de usos de suelo.
Requiere datos para los detalles de pabellón.
Desprecia fenómenos atmosféricos.
Requiere condiciones de contorno.
Complicado y de alto costo computacional.
Métodos de Simulación
Modelo Meso-escala.
Estos modelos tienen una resolución horizontal que varía en un rango de
uno a varios cientos de kilómetros. En cuanto a su resolución vertical esta
varía con la profundidad de la capa límite planetaria entre 200 m y 2 km. Y
una resolución temporal del orden de unos minutos hasta varios días.
Modelo Micro-escala.
Estos modelos tienen una escala espacial del orden de un par de
kilómetros y una escala temporal del orden de segundos a minutos. Se
aplican a fenómenos que ocurren dentro de la capa superficial.
El uso de cualquiera de estos modelos radica fundamentalmente en el
número de procesos atmosféricos considerados, el nivel de profundidad
con que son tratados, y los métodos utilizados para resolver las
ecuaciones que los describen.
Discusión
Este trabajo pone de manifiesto que el estudio del fenómeno ICU es un reto
debido a la complejidad y la cantidad de detalles urbanos, la debilidad teórica y el
alto costo de los enfoques de simulación, así como las dificultades en el suministro
de alta resolución, y las condiciones de contorno en tiempo continuo y real.
En el desarrollo de los modelos de estudio de ICU, basados en las ecuaciones que
gobiernan el fenómeno, las principales limitaciones son: el tamaño de dominio, la
resolución espacial y temporal y el costo computacional. Donde los modelos
meso-escala son enfoques prácticos cuando no es importante destacar detalles de
la superficie (por ejemplo, conservación de energía a escala urbana y dispersión
de la contaminación). Por el contrario, el modelo micro-escala CFD y UCM son
herramientas más útiles para los casos con preocupación por los fenómenos de
capa de dosel (por ejemplo, el confort térmico, el ahorro de energía a escala de
edificio). Sin embargo, estos enfoques hacen suposiciones importantes que
impactan en la evaluación del fenómeno debido a la imposibilidad de la
simulación de una ciudad, en tiempo y tamaño real.
Conclusiones
El incremento de la temperatura del aire en el entorno urbano, debido a la
modificación del suelo, la radiación solar, el calor antropogénico y de los GEI,
conocido como ICU, se verá incrementado por el Cambio Climático Global, cuyo
patrón principal es la temperatura.
El modelo de Balance de Energía facilita la comprensión del fenómeno ICU. La
evaluación del efecto ICU es de primordial importancia, debido a que potencia los
eventos de calor extremo que son causa de morbilidad y mortalidad de niños y
ancianos. En lo relativo a la generación de ICU, se ha reflejado el impacto de una
gran diversidad de variables. En cuanto a su evaluación existen diversos modelos,
que permiten conocer su intensidad y su variabilidad espacial y temporal. Estos
modelos pueden ser clasificados como: Modelos analíticos que evalúan el
fenómeno desde un enfoque físico, llevando a cabo un exhaustivo balance de
energía; y Modelos numéricos, que realizan una interpolación de resultados en
base a estudios previos.
Reflexión y Agradecimiento
La urbanización es una tendencia demográfica dominante y un componente
importante de la transformación global de la tierra. El aumento de la población y
la importancia territorial de las zonas urbanas es motivo suficiente para estudiar
sus efectos, entre ellos el fenómeno ICU, que es inherente a la urbanización. La
intensidad máxima del efecto ICU, se ha medido entre 2° y 12°C (Oke, 1987). Lo
que no ha sido ampliamente estudiado, es la velocidad a la que las ICU’s, se han
intensificado en los últimos decenios. Si se espera que el planeta en su conjunto
experimente un aumento promedio en las temperaturas superficiales globales de
2° a 12°C para el año 2100
¿Qué tasa de calentamiento se puede esperar en las regiones
urbanizadas?
Por su Atención, Muchas Gracias