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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