Análisis multitemporal de las condiciones de estabilidad y meteorológicas para la gestión del recurso atmosférico en la ciudad de Bogotá

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(1)ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ. TRABAJO DE GRADO EN LA MODALIDAD DE INVESTIGACIÓN – INNOVACIÓN. ELABORADO POR: LIZETTE RODRÍGUEZ GARAVITO – 20111180053 KAROL JULIETH ROMERO CORREDOR – 20111180057. DIRECTOR CARLOS ALFONSO ZAFRA MEJÍA Ph.D. INGENIERÍA AMBIENTAL. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2018.

(2) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. A mi familia por su apoyo incondicional, y a las personas que dedicaron su tiempo siendo parte de este proceso. Lizette Rodriguez Garavito. A mi familia por su confianza y apoyo constante Karol Julieth Romero Corredor. ii.

(3) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. AGRADECIMIENTOS. En primer lugar, a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por habernos dado la oportunidad de formar parte de su comunidad académica y brindarnos las herramientas y conocimientos claves en el desarrollo de esta investigación.. A nuestro director de investigación Ingeniero Carlos Alfonso Zafra Mejía por compartir su experiencia y formación académica, elementos que nos guiaron en cada una de las etapas ejecutadas en la realización de la presente investigación para lograr su culminación exitosa.. A nuestras familias por su apoyo incondicional durante el proceso de investigación desarrollado del presente trabajo.. Finalmente, agradecemos a todas las personas que contribuyeron de manera positiva durante la elaboración de este trabajo hasta su finalización.. iii.

(4) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. RESUMEN. En los últimos años, se ha identificado la relación entre la disminución de la calidad de los recursos ambientales, como el aire y la salud de las personas, especialmente en grandes ciudades como Bogotá. Esta propuesta de investigación pretende ser una herramienta para la toma de decisiones, vinculada a la gestión del recurso atmosférico de la ciudad, aplicando el método Pasquill - Gifford para la determinación de la estabilidad de la atmósfera de la ciudad a través del análisis estadístico de los datos climáticos recopilados por seis estaciones de la red de monitoreo de la calidad del aire de Bogotá entre los años 2007-2015; sumado a la construcción de un modelo ARIMA y un estudio del cambio de la cobertura terrestre de la ciudad y su influencia en la dinámica atmosférica. Los resultados mostraron que, en áreas de cobertura de suelo impermeable la atmósfera tuvo un comportamiento más estable relacionado con una menor capacidad de dispersión de contaminantes, en comparación con áreas de cobertura terrestre permeable (con vegetación y suelo), además de esto, tuvieron modelos ARIMA con una menor memoria y características de variabilidad menores propias de la atmósfera estable. Además, los resultados del análisis estadístico de correlación establecieron que la variable meteorológica con mayor influencia en la estabilidad atmosférica es la temperatura.. Palabras clave: Estabilidad atmosférica – Método Pasquill- Giffordparámetros meteorológicos – uso del suelo – cambio cobertura del suelo ARIMA. iv.

(5) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. ABSTRACT. In recent years the relationship between the decrease in the quality of environmental resources such as air and people's health has been identified, especially in large cities such as Bogotá. This research proposal aims to be a tool for decision making, linked to the management of the city's atmospheric resource making the application of the Pasquill - Gifford method for the determination of the stability of the city’s atmosphere through statistical analysis of the climatic data collected by six stations of the Bogotá air quality monitoring network between the years 2007-2015; added to an ARIMA model construction and a study of the city’s land cover change and its influence on atmospheric dynamics. The results showed that in areas of impermeable land coverage, the atmosphere had a more stable behavior linked to a lower dispersion capacity of pollutants, compared to areas with permeable land coverings (vegetated and ground), besides this, they had ARIMA models with a shorter memory and smaller variability characteristics of stable atmosphere. In addition, the results of the statistical analysis of correlation established that the meteorological variable with the greatest influence on atmospheric stability is temperature. Atmospheric stability – Method Pasquill- Gifford- Meteorological conditions – Land use – Land cover change – ARIMA. v.

(6) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. TABLA DE CONTENIDO AGRADECIMIENTOS .......................................................................................... ii RESUMEN .......................................................................................................... iv ABSTRACT ......................................................................................................... v INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 14 1.. 2.. OBJETIVOS ............................................................................................. 17 1.1. General ................................................................................................. 17. 1.2. Específicos............................................................................................ 17 MARCO TEÓRICO................................................................................... 18. 2.1 Calidad del aire ........................................................................................ 18 2.1.1 Gestión del recurso atmosférico ........................................................ 19 2.2 Parámetros que inciden en la dispersión y transporte de contaminantes. 20 2.2.1 Condiciones de estabilidad de la atmósfera ......................................... 20 2.2.2 Variables con influencia en la calidad del aire ...................................... 22 2.2.2.1 Viento ............................................................................................. 22 2.2.2.2 Lluvia .............................................................................................. 22 2.2.2.3 Radiación ........................................................................................ 22 2.2.2.4 Topografía ...................................................................................... 22 2.2.4 Uso del Suelo........................................................................................ 23 2.3 Índices de calidad del aire (ICA) .............................................................. 24 2.4 Índice bogotano de calidad del aire (IBOCA) ........................................... 25 2.5 Protocolo colombiano para el monitoreo de la calidad del aire ................ 25 2.6 Red de monitoreo de la calidad del aire de Bogotá (RMCAB) ................. 26 2.7 Metodología de Pasquill-Gifford para la determinación de la estabilidad atmosférica ........................................................................................................ 27 2.8.1. Modelos ARIMA .................................................................................. 30 2.8.2. Modelos autorregresivos (AR) ........................................................ 31 2.8.3. Modelos de promedios móviles (MA)............................................... 32 2.9 Metodologías para el análisis de uso y cobertura de suelo. .................... 33 2.10 Normatividad Asociada .......................................................................... 34 3.. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................... 36 3.1 Descripción de los lugares de investigación ............................................ 36 3.1.2. Clima.................................................................................................... 36 vi.

(7) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. 3.1.2.1 Temperatura ...................................................................................... 36 3.1.2.2 Precipitación ...................................................................................... 37 3.1.3 Grado de estabilidad e inestabilidad atmosférica.................................. 38 3.1.4. Cobertura y uso del suelo .................................................................... 39 3.1.5. Calidad del aire .................................................................................... 40 3.2 Sistema de recolección de la información ................................................ 42 3.2.1. Recolección de datos para el método simplificado de estabilidad atmosférica. ....................................................................................................... 42 3.2.2 Recolección de datos de estabilidad atmosférica y parámetros climáticos ........................................................................................................... 43 3.2.3. Recolección de datos: series de tiempo para PM10 ............................. 43 3.2.4. Recolección de datos: Uso y cobertura del suelo ................................ 45 3.3. Metodología ............................................................................................ 46 3.3.1. Fase 1. Revisión Bibliográfica:........................................................... 48. 3.3.1.1 Obtención y control estadístico de la calidad de los datos ............. 48 3.3.2 Fase 2. Planteamiento de hipótesis ...................................................... 49 3.3.3. Fase 3. Desarrollo del modelo simplificado de Pasquill- Gifford para la determinación de las condiciones de estabilidad de la atmosfera. .................... 50 3.3.4 Fase 4. Análisis estadístico comparativo de datos climáticos y estabilidad atmosférica ...................................................................................... 50 3.3.4.1. Análisis estadístico ........................................................................ 50 3.3.4.2 Representación gráfica de datos .................................................... 53 3.3.5. Fase 5. Identificación, estimación y verificación de los modelos ARIMA para PM10 y estabilidad atmosférica. .................................................................. 53 3.3.5.1. Ajuste de modelos ARIMA para la variable PM10. ............................. 55 3.3.6 Fase 6. Procesamiento de imágenes satelitales ................................... 56 3.3.7 Fase 7. Análisis de la información obtenida. ......................................... 57 4.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................. 58. 4.1 Modelo simplificado de Pasquill- Guifford para la determinación de la estabilidad atmosférica ...................................................................................... 58 4.2. Análisis estadístico entre estabilidad atmosférica y parámetros climáticos. ........................................................................................................................... 64 4.2.1 Análisis estadístico descriptivo de la variable estabilidad atmosférica.. 64 4.2.2. Relación entre estabilidad atmosférica y variables meteorológicas de temperatura y precipitación. ............................................................................... 68. vii.

(8) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. 4.3. Identificación, estimación y verificación de los modelos ARIMA para las variables PM10 y estabilidad atmosférica. .............................................................. 73 4.3.1. Ajuste de modelos ARIMA para la variable PM10................................. 73 4.3.1.1. Identificación del modelo ARIMA ...................................................... 74 4.3.1.2. Estimación de modelos univariantes ................................................. 79 4.3.1.3. Verificación de los modelos univariantes .......................................... 82 4.3.2 Ajuste de modelos ARIMA para la variable estabilidad atmosférica. .... 89 4.3.2.1. Identificación del modelo ARIMA ...................................................... 89 4.3.2.2. Estimación de modelos univariantes ................................................. 91 4.3.2.3. Verificación de los modelos .............................................................. 92 4.5. Análisis de cobertura y uso del suelo. ................................................... 100 4.5.1. Análisis de cobertura y uso del suelo para el año 2007. .................... 102 4.5.2. Análisis de cobertura y uso del suelo para el año 2015. .................... 105 4.5.3. Análisis multianual de cobertura y uso del suelo para las estaciones de estudio. ............................................................................................................ 107 4.6. Análisis de la influencia de la cobertura y uso de suelo en las condiciones de estabilidad atmosférica y la dispersión de PM10. ......................................... 110 4.5.4. Lineamientos para la planificación del territorio distrital en relación con la gestión del recurso atmosférico.................................................................... 113 5.. CONCLUSIONES................................................................................... 117. 6.. RECOMENDACIONES .......................................................................... 122. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 124 LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Localización de las estaciones de la RMCAB usadas en la investigación.......................................................................................................... 27 Figura 2. Estabilidad atmosférica. ..................................................................... 28 Figura 3. Inestabilidad atmosférica. .................................................................. 28 Figura 4. Ubicación de las estaciones de monitoreo en Bogotá.. ..................... 39 Figura 5. Concentración multitemporal de PM10 para las estaciones de la RMCAB. .............................................................................................................................. 41. viii.

(9) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Figura 6. Radios establecidos para la fotointerpretación de coberturas del suelo. Estación Guaymaral.. ............................................................................................ 45 Figura 7. Diagrama de flujo de las fases de investigación. ............................... 47 Figura 8. Resultado prueba de Kolmogorov - Smirnov para la variable de velocidad del viento. Estación Carvajal (Sony)...................................................... 52 Figura 9. Proceso iterativo de Box-Jenkins para modelos ARIMA (Box & Jenkins, 1970) ..................................................................................................................... 54 Figura 10. Variabilidad horaria de las condiciones de estabilidad de la atmosfera en las estaciones de monitoreo Carvajal, Kennedy y Puente Aranda. .................. 61 Figura 11. Variabilidad horaria de las condiciones de estabilidad de la atmosfera en las estaciones de monitoreo Guaymaral, Suba y C.A.R.. ................................. 61 Figura 12. Variabilidad horaria de la velocidad del viento en las estaciones de monitoreo. ............................................................................................................. 63 Figura 13. Variación diurna (12h) de la estabilidad atmosférica de la estación de Puente Aranda. ..................................................................................................... 67 Figura 14. Variación nocturna (12h) de la estabilidad atmosférica de la estación de Puente Aranda. ................................................................................................ 67 Figura 15. Variación de los valores diurnos mensuales de estabilidad atmosférica con respecto a la temperatura para la estación de Suba. ..................................... 70 Figura 16. Variación de los valores diurnos mensuales de estabilidad atmosférica con respecto a la precipitación para la estación de Carvajal. ................................ 71 Figura 17. Variación de los valores nocturnos mensuales de estabilidad atmosférica con respecto a la temperatura para la estación de Kennedy.. ........... 72 Figura 18. Variación de los valores nocturnos mensuales de estabilidad atmosférica con respecto a la precipitación para la estación de Carvajal.. ........... 73 Figura 19. Comportamiento de la variable PM10. Sin transformación logarítmica. .............................................................................................................................. 74 Figuras 20. Gráfica de la serie temporal de PM10 de la estación Carvajal, con trasformación logarítmica ...................................................................................... 75 Figura 21. FAC Muestral para PM10, serie T(Zt) ............................................... 76. ix.

(10) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Figura 22. FAC Muestral para PM10 serie {T(Zt)}............................................ 76 Figura 23. FAC Muestral para PM10 serie {2T(Zt)} .......................................... 76 Figura 24. Gráfica FACP para {T(Zt)} de la serie PM10 de la estación Carvajal .............................................................................................................................. 78 Figura 25. Residuales del modelo (2,1,6) para PM10 en la estación de Carvajal. Línea límite para ±2 desviaciones estándar.. ........................................................ 81 Figura 26. Residuales del modelo (2,1,3). Línea límite para ±2 desviaciones estándar. ............................................................................................................... 82 Figura 27. Residuales del modelo (3,1,6). Línea límite para ±2 desviaciones estándar. ............................................................................................................... 82 Figura 28. Gráfica de la serie de estabilidad atmosférica para la estación de Carvajal. ................................................................................................................ 89 Figura 29. FAC muestral para estabilidad atmosférica a) {T (Zt)}, b) {T (Zt)} y c) {²T (Zt)} ............................................................................................................... 90 Figura 30. Gráfica FACP para {T(Zt)} de la serie estabilidad atmosférica de la estación Carvajal. .................................................................................................. 91 Figura 31. Variabilidad mensual entre PM10 y estabilidad atmosférica en la estación de Carvajal. ............................................................................................. 98 Figura 32. Variación horaria (24h) de las concentraciones de PM10 con respecto a las condiciones de estabilidad atmosférica en la estación de Carvajal. ............. 99 Figura 33. Gráfica de los valores promedio horarios de las estaciones con predominancia de la cobertura impermeable (arriba) y permeable (abajo). ........ 102 Figura 34. Porcentaje de coberturas para las estaciones de Suba (arriba) y Carvajal (abajo) año 2007.. ................................................................................. 104 Figura 35. Porcentaje de coberturas para las estaciones de Suba (arriba) y Carvajal (abajo) año 2015. .................................................................................. 106 Figura 36.Porcentaje de coberturas multianual para las estaciones de Suba (arriba) y Carvajal (abajo) .................................................................................... 109. x.

(11) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio vigentes... . 19 Tabla 2. Niveles máximos permisibles de contaminantes criterio para el año 2030 ...................................................................................................................... 19 Tabla 3. Categorías de estabilidad atmosférica de Pasquill- Gifford. ................ 22 Tabla 4.Clasificación de usos del suelo POT. ................................................... 23 Tabla 5. Usos del suelo de las áreas de localización de las estaciones de la RMCAB. ................................................................................................................ 24 Tabla 6. Valores ICA y colores asociados. ........................................................ 24 Tabla 7. Rangos de medición del IBOCA. ......................................................... 25 Tabla 8. Turbulencia de la atmósfera. Categorías de estabilidad ..................... 29 Tabla 9. Clasificación de coberturas y tipos de uso del suelo usadas en la investigación.......................................................................................................... 34 Tabla 11. Ubicación de las estaciones usadas en el proyecto .......................... 36 Tabla 12. Descripción de las estaciones utilizadas para el estudio de caracterización climática de la ciudad de Bogotá en las áreas de interés. Fuente: IDEAM, 2007 ......................................................................................................... 37 Tabla 13. Distribución del tipo de uso del suelo de las estaciones de monitoreo .............................................................................................................................. 40 Tabla 14. Valores del indice IBOCA de las áreas de estudio ............................ 40 Tabla 15. Índices de correlación de Spearman para la variable de temperatura en el período de muestreo, entre las estaciones de monitoreo.. ........................... 42 Tabla 16.Índices de correlación de Spearman para la variable velocidad del viento, entre las estaciones de monitoreo. ............................................................ 43 Tabla 17. Criterios mínimos de ubicación de la estación de monitoreo ............ 44 Tabla 18. Altura de medición de las estaciones de monitoreo .......................... 44 Tabla 19. Especificaciones técnicas de los equipos de medición de PM10 de las estaciones de estudio. ........................................................................................... 45 Tabla 20. Porcentaje de representatividad de los datos. .................................. 48. xi.

(12) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Tabla 21. Escala de valoración de coeficientes de correlación. ........................ 52 Tabla 22.Tabla de frecuencia para las condiciones de estabilidad atmosférica en las estaciones de monitoreo (24 h). ...................................................................... 60 Tabla 23. Estadísticos descriptivos diurnos de la serie de estabilidad atmosférica. ........................................................................................................... 64 Tabla 24. Estadísticos descriptivos nocturnos de la serie de estabilidad atmosférica. ........................................................................................................... 65 Tabla 25. Coeficientes de correlación de Spearman diurnos, entre estabilidad atmosférica y variables meteorológicas. ............................................................... 69 Tabla 26. Coeficientes de correlación de Spearman nocturnos, entre estabilidad atmosférica y variables meteorológicas. ............................................................... 69 Tabla 27. FAC Y FACP muestrales para { T(Zt)} de la serie de tiempo diaria (media móvil 24h) de PM10 de la estación de Carvajal. ....................................... 78 Tabla 28. Parámetros e intervalos de confianza estimados para el modelo ARIMA ................................................................................................................... 80 Tabla 29. Autocorrelaciones simples de los residuales del modelo ARIMA (2,1,6). ................................................................................................................... 79 Tabla 30. Resultados de la estimación de parámetros de los modelos ARIMA (2,1,3) y (3,1,6) para la variable PM10 en la estación de Carvajal. ....................... 80 Tabla 31. Autocorrelaciones parciales de los residuales del modelo ARIMA (2,1,6). ................................................................................................................... 83 Tabla 32. Resultados de la verificación para los modelos (2,1,3) y (3,1,6). ...... 86 Tabla 33. Descripción de los modelos identificados y alternativos para la variable PM10 en la temporalidad horaria (media móvil 24h) en las estaciones de monitoreo .............................................................................................................. 88 Tabla 34. Resultados de la estimación de los parámetros para los modelos ARIMA (1 ,1 ,8) (2, 1, 7) y (1, 1, 5) de la variable estabilidad atmosférica en la estación de Carvajal en la temporalidad horaria (media móvil 24h). ..................... 92. xii.

(13) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Tabla 35. Resultados de la verificación de los modelos identificados para la variable estabilidad atmosférica en la estación de Carvajal en la temporalidad horaria (media móvil 24h) . .................................................................................... 94 Tabla 37. Descripción de los modelos identificados y alternativos para la variable estabilidad atmosférica en la temporalidad horaria (media móvil 24h) en las estaciones de monitoreo. ................................................................................. 94 Tabla 38. Resultados definitivos de los modelos ARIMA de las variables PM10 y Estabilidad atmosférica (Temporalidad horaria – media móvil 24 h) en las estaciones de monitoreo. ...................................................................................... 97 Tabla 39. Coeficiente de correlación de Spearman para los valores de estabilidad atmosférica entre las estaciones de estudio. .................................... 101 Tabla 40. Porcentajes de tipo de cobertura en función de la distancia para el año 2007. ............................................................................................................ 103 Tabla 41.Porcentajes totales de tipo de cobertura para las estaciones de estudio en función de la distancia en el año 2015. .......................................................... 105 Tabla 42. Porcentajes totales de tipo de cobertura para las estaciones de estudio en función del tiempo. ............................................................................. 108. xiii.

(14) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. INTRODUCCIÓN La contaminación del aire representa un importante riesgo ambiental para la salud pública. El progresivo aumento en el deterioro de la calidad del aire en la ciudad de Bogotá ha sido motivo de gran preocupación tanto para las autoridades ambientales como para la Secretaría de Salud, debido al incremento de enfermedades respiratorias asociadas a la contaminación; lo que sin lugar a dudas disminuye la calidad de vida de los ciudadanos (OMS, 2015). Dicha contaminación está asociada a diferentes factores tales como las dinámicas económicas de las áreas en estudio (p.ej., emisiones vehiculares e industriales) que actúan sobre las coberturas del suelo, además del comportamiento de las variables meteorológicas y las condiciones de estabilidad o inestabilidad de la atmósfera que influyen en la dispersión de los contaminantes.. En Colombia, específicamente en la ciudad de Bogotá, esta problemática tiene su génesis en factores como el acelerado crecimiento económico de la ciudad manifestado en una mayor demanda energética y, en efecto, en el aumento de las emisiones atmosféricas (Gaitán, 2007). La Red de Monitoreo de Calidad del aire de Bogotá (RMCAB) operada por la secretaría Distrital de Ambiente desde el año de 1997, suministra información del comportamiento de diferentes variables meteorológicas y evalúa el estado de la calidad del aire, arrojando datos de alerta sobre la concentración de contaminantes en localidades como Carvajal, Fontibón, Kennedy y Puente Aranda que durante el periodo 2007 a 2010 superaron el límite máximo permisible; lugares donde prevalecen actividades industriales y mayores extensiones de suelo urbano (MADS, 2012).. Como consecuencia de este fenómeno en la ciudad, se ha desencadenado un aumento en los casos de enfermedad respiratoria aguda (ERA) en aquellas áreas con alto desarrollo industrial, alertando a los organismos de salud pública en la ciudad. Según el boletín de ERA realizado por la Secretaria Distrital de Salud, del total de casos presentados en el año 2014 (324.778), el 33% (106.188) se 14.

(15) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. reportaron en menores de cinco años, un 26% (82.887) en pacientes entre 20 y 39 años, y un 4% requirieron hospitalización; lo que correspondió a 13.265 pacientes, de los cuales 8.929 eran menores de 5 años. En este mismo año se dio un total de catorce casos de mortalidad por Infección Respiratoria Aguda (IRA), afectando a la población de primera infancia (Alcaldía Mayor de Bogotá, 2014).. Por otro lado, se evidencia una carencia en los lineamientos técnicos y metodologías de análisis de parámetros climatológicos que vayan más allá de simples estudios estadísticos descriptivos, y que lleguen a ser un determinante para la planeación y posterior gestión de las áreas urbanas a nivel nacional. Es decir, es necesario el establecimiento de evaluaciones de calidad del aire y variables meteorológicas que permitan profundizar la interpretación de la dispersión de los contaminantes urbanos, como un aspecto fundamental para la toma de decisiones de planeación y gestión urbana. Por lo tanto se evidencia la necesidad de desarrollar investigaciones bajo escalas geográficas locales (He et al., 2017).. A partir de esto, uno de los principales beneficios del pronóstico y evaluación de la calidad del aire a nivel institucional y gubernamental es también el fortalecimiento de las políticas públicas que regulan los niveles permisibles y proponen alternativas para la toma de decisiones sobre reducción de la contaminación, la mejora en la salud pública y la disminución de sobrecostos asociados a esta problemática (Kishimoto et al., 2017). En ese sentido, el presente proyecto de investigación busca establecer un análisis sobre las condiciones de estabilidad atmosférica y los parámetros meteorológicos que indicen en la dispersión de los contaminantes en relación con las coberturas y usos del suelo, con el fin de brindar una base metodológica para la planeación distrital. Para llegar a esto, se propone la aplicación del método Pasquill – Gifford para la determinación de la estabilidad atmosférica adaptado al caso de estudio de la ciudad de Bogotá; por medio de un análisis estadístico de los datos climáticos recolectados por seis estaciones de la red de monitoreo de calidad de aire de 15.

(16) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Bogotá entre los años 2007-2015. Adicionalmente, se lleva a cabo la fotointerpretación de imágenes satelitales de zonas de influencia de cada una de las estaciones incluidas en esta investigación para determinar el uso del suelo, y con ello estudiar la influencia de las variables climatológicas, y el tipo de cobertura del suelo sobre las condiciones de estabilidad. Además, se analiza el comportamiento de dichas variables sobre las dinámicas de dispersión de PM10 Por lo tanto, esta propuesta de investigación pretende ser una herramienta para la toma de decisiones, vinculada a la gestión del recurso atmosférico de la ciudad.. El documento se divide en ocho capítulos. La primera parte presenta el marco teórico, construido con base en una revisión bibliográfica del tema de investigación. Posteriormente se describe el área de estudio y la metodología desarrollada en el proyecto de investigación. Por último, se exponen los capítulos de resultados, análisis de resultados, conclusiones y recomendaciones.. 16.

(17) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. 1. OBJETIVOS 1.1 General Realizar un análisis multitemporal de las condiciones de estabilidad y meteorológicas para la gestión del recurso atmosférico en las localidades de Kennedy, Suba, Barrios Unidos y Puente Aranda de la ciudad de Bogotá durante un período de nueve años (2007-2015).. 1.2 Específicos •. Desarrollar un método simplificado a partir de la metodología de PasquillGuifford para la determinación de la condición de estabilidad atmosférica en las localidades de estudio en la ciudad de Bogotá.. •. Analizar la relación temporal entre la condición de estabilidad atmosférica y los parámetros climáticos de las áreas de investigación.. •. Evaluar mediante modelos estadísticos la relación temporal entre la condición de estabilidad atmosférica y la concentración de PM10, para pronosticar la ocurrencia de eventos extremos de contaminación del aire.. •. Evaluar los resultados obtenidos en cada localidad de estudio con respecto a la cobertura del suelo, para generar recomendaciones preliminares en el marco del ordenamiento territorial distrital.. 17.

(18) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. 2. MARCO TEÓRICO. 2.1 Calidad del aire La calidad del aire viene determinada por la presencia en la atmósfera de contaminantes. atmosféricos,. que. pueden. ser. el. material. particulado. o. contaminantes gaseosos como el dióxido de nitrógeno (NO2), dióxido de azufre (SO2) y ozono troposférico (O3), Altos niveles de estos contaminantes en la atmósfera generan aumento en los casos de enfermedades respiratorias agudas y la visible reducción en la calidad de vida de los ciudadanos en áreas de mayor actividad industrial y flujo vehicular (IDEAM, 2012).. La Resolución 2254 de 2017, establece la Norma de Calidad del Aire o Nivel de Inmisión para todo el territorio nacional en condiciones de referencia a partir del primero de enero del año 2018, se definen los niveles de concentración legalmente permisibles de sustancias o fenómenos contaminantes presentes en el aire con el fin de preservar la buena calidad del ambiente, los recursos naturales renovables y la salud humana (MADS, 2016). En la Tabla 1 se exponen los límites máximos permisibles de contaminantes en el aire válidos en Colombia desde el año 2018 en Colombia, la cual incluye el material particulado PM10, uno de los contaminantes de mayor preocupación ya que posee un diámetro aerodinámico menor o igual a 10 micrómetros nominales, lo que le permite entrar fácilmente en los alveolos pulmonares y causar efectos adversos sobre la salud (Liu et al., 2016). Adicionalmente la resolución 2254 de 2017 establece ajustes progresivos de los niveles máximos permisibles de contaminantes para el año 2020 en respuesta a la perpetuación de la contaminación atmosférica como amenaza importante para la salud en todo el mundo (OMS, 2005) (Tabla 2). En Bogotá, durante el periodo de 2007 a 2010 se presentaron excedencias a la norma respecto al límite máximo permisible anual aumentando a valores de 18.

(19) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. mediana de 56 μg/m3, evento repetitivo en las localidades de Suba, Puente Aranda y Kennedy debido a la presencia de vías de alto flujo vehicular y zonas industriales (MADS, 2012). Tabla 1. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio vigentes. CONTAMINANTE PM10 PM2.5 SO2 NO2 O3 CO. NIVEL MÁXIMO PERMISIBLE COLOMBIA (µ/m3) 50 100 25 50 50 100. NIVEL MÁXIMO PERMISIBLE OMS (µ/m3) 20 50 10 25 20 -. TIEMPO DE EXPOSICIÓN Anual 24 horas Anual 24 horas 24 horas 1 hora. 60 200. 40 200. Anual 1 hora. 100 5.000 35.000. 100. 8 horas 8 horas 1 hora. -. Nota: A partir del 1 de julio de 2018, los niveles máximos permisibles de PM 10 y PM 2.5 para un tiempo de exposición 24 horas son de 75 µ/m3 y 37 µ/m3 respectivamente.. Fuente: Resolución 2254 de 2017, Guías de calidad del aire de la OMS, 2005. Tabla 2. Niveles máximos permisibles de contaminantes criterio para el año 2030. CONTAMINANTE PM10 PM2.5 SO2 NO2. NIVEL MÁXIMO PERMISIBLE COLOMBIA (µ/m3) 30 15 20 40. TIEMPO DE EXPOSICIÓN (µ/m3) Anual Anual 24 horas Anual. Fuente: Resolución 2254 de 2017. 2.1.1 Gestión del recurso atmosférico El servicio de conservación de Recursos Naturales (NRCS, por sus siglas en inglés) adscrito al departamento de agricultura de los Estados Unidos, hace referencia a la gestión de los recursos naturales, específicamente la gestión del recurso atmosférico (Atmospheric Resource Quality Management) como una condición para la protección del medio ambiente, la salud pública y el mantenimiento de actividades productivas sostenibles, por medio de la elaboración de estudios de impacto ambiental en calidad del aire (NRCS, 2008).. Dichos estudios están. basados en el análisis de los factores que influyen en la dispersión y transporte de los contaminantes.. 19.

(20) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Según el informe del Estado de la Calidad del Aire en Colombia 2011- 2015, en la ciudad de Bogotá las estaciones de Carvajal- Sevillana y Kennedy presentaron las concentraciones más altas entre las estaciones analizadas a nivel nacional superando el límite máximo permisible anual de 50 µ/m3 y excedencias para el límite diario de 100 µ/m3 a lo largo de los 5 años de estudio, concentraciones en todo sentido exorbitantes en comparación con los límites permisibles decretados por la OMS de 20 µ/m3 media anual y 50 µ/m3 media diaria. Según el informe, las concentraciones que superaron el límite diario permisible (50 µ/m3) contemplado en la Resolución 2254 de 2017 fueron Kennedy (69 µ/m3), Puente Aranda ( 55 µ/m3) y Carvajal Sevillana (120 µ/m3) (IDEAM, 2016).. Hoy en día en Colombia, el 74% de la población identifica a la contaminación del aire como uno de los problemas más serios en el país, además porque afecta directamente a la población de bajos recursos. Genera aproximadamente 7.000 casos de muertes prematuras anuales, 7.400 nuevos casos de bronquitis crónica, 13.000 hospitalizaciones por causa de enfermedad respiratoria crónica y 255.000 visitas a salas de urgencia (Tyler et al., 2013). Hasta el año 2004, el costo anual del problema de contaminación del aire era de 1,5 billones de pesos anuales relacionados con casos de salud pública, morbilidad y mortalidad; para el año 2017 estos costos han aumentado hasta llegar a la cifra de 1,6 billones de pesos asociados a la atención de síntomas respiratorios y cerca de 10.527 fallecimientos relacionados con la polución del aire urbano. En el caso de Bogotá el 10,5% (3.219) de las muertes registradas son causadas por enfermedades respiratorias producto de la contaminación del aire y su costo se estima en 4,2 billones de pesos anuales equivalentes al 2,5% del PIB de la ciudad (DNP, 2017).. 2.2 Parámetros que inciden en la dispersión y transporte de contaminantes. 2.2.1 Condiciones de estabilidad de la atmósfera Una de las características más importantes de la atmosfera que condiciona las dinámicas de dispersión de contaminantes es su estabilidad. La estabilidad se 20.

(21) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. define como la tendencia a resistir el movimiento vertical de las masas de aire o suprimir la turbulencia existente (Montes de Oca et al., 2010).. Estos fenómenos ocurren en su mayoría en la capa más baja de la atmósfera denominada Capa Límite Planetaria (PBL), región en la cual la atmósfera se ve afectada por los cambios en la superficie terrestre por intercambio de calor, humedad y momento (Portela et al., 1991). En condiciones de estabilidad, el gradiente de temperatura ambiental es menor al gradiente de temperatura adiabático seco y la capa de aire cercana a la superficie es mucho más fría y posee mayor densidad, este fenómeno se denomina inversión térmica ya que la temperatura no disminuye con la altura; esto impide la mezcla vertical y la formación de nubes, posibilitando el aumento en las concentraciones de contaminantes en la capa límite, disminución de la precipitación y ocurrencia de heladas (Montes de Oca et al., 2010).. Por otro lado, en condiciones de inestabilidad donde el gradiente de temperatura ambiental es mayor al gradiente de temperatura adiabático seco, se presenta mayor turbulencia por el aumento en la velocidad de los vientos permitiendo así la mezcla vertical (i.e., ascensión de las masas de aire) y una mayor dispersión de los contaminantes (Guillemes- Peira, 2014). Es importante enfatizar que como se señaló anteriormente, la estabilidad atmosférica depende de la temperatura de las masas de aire, por ende, existirán diferentes niveles de estabilidad según este diferencial térmico. A partir de esto y teniendo que en cuenta que la estabilidad atmosférica es un resultado de la interacción de diferentes parámetros meteorológicos, se identifican seis tipos de estabilidad según las categorías de Pasquill-Gifford (Tabla 3). Éstas se calculan en función de la información meteorológica de temperatura, dirección, velocidad del viento y radiación solar. Para condiciones de atmósfera inestable las clases de estabilidad pueden ser A, B o C, para condiciones neutras D, y para condiciones estables pueden ser E o F, para cielos totalmente cubiertos tanto de día como de noche, debe considerarse la clase de estabilidad D (Moragues, 2002). 21.

(22) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Tabla 3. Categorías de estabilidad atmosférica de Pasquill- Gifford. PRESENCIA DE INSOLACIÓN. CATEGORÍA DE ESTABILIDAD A: Muy inestable B: Inestable C: ligeramente estable D: Neutra E: ligeramente estable F: Estable. Día Día/Noche Noche. Fuente (Moragues, 2002).. 2.2.2 Variables con influencia en la calidad del aire 2.2.2.1 Viento Se origina cuando entre dos puntos se establece una cierta diferencia de presión o de temperatura traduciéndose en el movimiento horizontal de las masas de aire. Esta variable afecta significativamente la concentración de contaminantes en el área, mientras mayor sea la velocidad del viento, menor será la concentración, el viento diluye y dispersa rápidamente estas sustancias (Solano, 2007). 2.2.2.2 Lluvia La lluvia resulta del ascenso y enfriamiento del aire húmedo, ya que a menos temperatura no puede retener todo su vapor de agua, parte del cual se condensa rápidamente. Los eventos de lluvia posibilitan el lavado de los contaminantes dando paso al fenómeno denominado deposición húmeda, en donde las sustancias presentes en la atmósfera son arrastradas y vuelven al suelo (Fonseca et al., 2013). 2.2.2.3 Radiación La energía transferida por el sol a la tierra es lo que se conoce como energía radiante o radiación; esta variable influye en la formación de Ozono ya que permite la reacción de vapores orgánicos con los óxidos de nitrógeno, aumentando los niveles de contaminantes en la atmósfera (Solano, 2007). 2.2.2.4 Topografía Las grandes ciudades rodeadas de una topografía compleja caracterizada por altas cordilleras presentan resistencia a la dispersión de contaminantes ya que se establecen como barreras naturales que concentran la polución y permiten la formación de smog. Las ciudades de Los Ángeles, México D.F, la zona 22.

(23) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. metropolitana de Guadalajara y Santiago de Chile están encerradas por cadenas montañosas de considerable altitud que impiden una circulación fluida de las sustancias contaminantes (Solano , 2007).. 2.2.4 Uso del Suelo El cambio en el uso del suelo es un proceso por el cual el ser humano modifica el funcionamiento del sistema terrestre, contribuyendo al cambio medioambiental (Johansson et al., 2017). Este factor puede determinar la existencia o no de altas concentraciones de material particulado en la atmósfera. Por ejemplo, en zonas industriales donde hay mayor asentamiento de fuentes fijas de emisión y vías principales de transporte se presentan niveles más altos de concentración de contaminantes, por el contrario, en áreas destinadas a actividades agrícolas, zonas residenciales con baja o nula actividad industrial y dotadas de zonas verdes, las concentraciones son considerablemente más bajas (Superczynsk et al., 2011).. El Decreto 190 de 2004 por el cual se establece el plan de ordenamiento territorial de la ciudad de Bogotá, clasifica los usos del suelo según son presentados en la tabla 4. A partir de la información presentada, la tabla 5 expone la clasificación de usos del suelo más representativos para las áreas de localización de cada una de las estaciones de la RMCAB que serán utilizadas en el presente estudio.. Tabla 4. Clasificación de usos del suelo POT. ÁREAS DE ACTIVIDAD 1.. 4.. CLASIFICACIÓN Zona residencial neta Zona residencial con comercio y servicios Zona residencial con actividad económica Zona industrial Zona de equipamientos colectivos Zona de servicios urbanos básicos Zona de equipamientos recreativos y deportivos Parques zonales Zona de servicios empresariales Zona de servicios empresariales e industriales Zona especial de servicios Zona de servicios al automóvil Zona de comercio cualificado Zona de comercio aglomerado Zona de comercio pesado Grandes superficies comerciales Zonas especiales de servicios de alto impacto. Residencial. 2.. Industrial. 3.. Dotacional. Comercio y servicios. 23.

(24) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. 5.. ÁREAS DE ACTIVIDAD Área de actividad minera. 6.. CLASIFICACIÓN Zona de recuperación morfológica Sistema de áreas protegidas Zonas de alto riesgo no mitigable Parques metropolitanos Zona de manejo especial de la ronda hidráulica y la zona de manejo y preservación del río Bogotá.. Suelo protegido. Fuente: Decreto 190 de 2004.. Tabla 5. Usos del suelo de las áreas de localización de las estaciones de la RMCAB. LOCALIDAD Puente Aranda. ESTACIÓN Puente Aranda Kennedy Carvajal Guaymaral Suba. Kennedy Suba Barrios Unidos. Centro de alto Rendimiento. USO DEL SUELO POT 2004 Zona industrial Área urbana integral Área de actividad dotacional Área rural (agrícola) Área de actividad dotacional Zona de parques metropolitanos. Fuente: Alcaldía Mayor de Bogotá D.C, 2004.. 2.3 Índices de calidad del aire (ICA) El índice de calidad del aire (ICA) permite comparar los niveles de contaminación del aire de las estaciones de monitoreo que conforman un Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire (Unidades espaciales de referencia), en un tiempo (t), que corresponde al período de exposición previsto en la norma para cada uno de los contaminantes que se están midiendo. El índice de calidad del aire ha sido adoptado a partir de las recomendaciones técnicas consignadas en el Technical Assistance Document for the Reporting of Daily Air Quality – The Air Quality Index, como se explica en el Manual de Operación de Sistemas de Vigilancia de la Calidad del Aire del Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire (MADS, 2008). Las escalas propuestas para el ICA son presentadas en la Tabla 6. Tabla 6. Valores ICA y colores asociados. RANGOS ICA 0 ≤ ICA ≤ 50 51 ≤ ICA ≤ 100 101 ≤ ICA 150 151 ≤ ICA ≤ 200 201 ≤ ICA ≤ 300 301 ≤ ICA ≤ 500. COLORES Verde Amarillo Naranja Rojo Violeta Marrón. Fuente (MADS,2016).. Los valores del ICA se ubican en una escala adimensional de 0 a 500, que han sido agrupados en seis rangos que guardan estrecha relación con la amenaza que sobre la salud humana representan dichos niveles de contaminación del aire. Para 24.

(25) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. facilitar su interpretación cada uno de estos rangos ha sido asociado a un color que sirve de alerta (Tabla 6).. 2.4 Índice bogotano de calidad del aire (IBOCA) El Índice Bogotano de Calidad de Aire (IBOCA) adoptado mediante la Resolución 2410 de 2015 es un indicador multipropósito adimensional, calculado a partir de las concentraciones de contaminantes atmosféricos en un momento y lugar de la ciudad, que comunica simultáneamente y de manera sencilla, oportuna y clara el riesgo ambiental por contaminación atmosférica, el estado de la calidad del aire de Bogotá, las afectaciones y recomendaciones en salud y las medidas voluntarias para que la ciudadanía contribuya a mantener o mejorar la calidad del aire de la ciudad (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2016). También funciona como indicador de riesgo ambiental por contaminación atmosférica en el marco del Sistema Distrital de Alertas del Gestión del Riesgo y Cambio Climático (Alcaldía Mayor de Bogotá, 2016). La Tabla 7 muestra los rangos y colores asociados a los diferentes niveles de contaminación.. Tabla 7. Rangos de medición del IBOCA. RANGOS. COLOR. 0 – 10 10,1 – 20 20,1 – 30 30,1 – 40 40,1 – 60 60, 1 – 100. Azul celeste Verde Amarillo Naranja Rojo Violeta. ESTADO DE LA CALIDAD DEL AIRE Favorable Moderado Regular Mala Muy Mala Peligrosa. ESTADO DE ACTUACIÓN Y RESPUESTA. Prevención Prevención Alerta Amarilla Alerta Naranja Alerta Roja Emergencia. Fuente: Observatorio ambiental de Bogotá, 2016.. 2.5 Protocolo colombiano para el monitoreo de la calidad del aire Este protocolo expone los lineamientos que deben tenerse en cuenta para el diseño y operación de los sistemas de vigilancia de la calidad del aire (SVCA) en Colombia. Así mismo, brinda las definiciones principales referentes a la calidad del aire, contaminantes, niveles permisibles y expone elementos básicos para la operación de SVCA, su tratamiento, análisis, interpretación, presentación y reporte de la información recolectada (MAVDT, 2008). 25.

(26) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. El protocolo resalta el procedimiento que debe llevarse a cabo para el análisis estadístico de la información recolectada en cada estación de monitoreo, el tratamiento de las brechas presentadas en los datos, los métodos de cálculo de los promedios en el tiempo para las variables de calidad del aire y meteorológicas, la estimación de las medias móviles y la manera en que deben ser comparados los valores de concentración con la norma y el número de excedencias. Adicionalmente, establece la estructura de presentación de los informes sobre el estado de la calidad del aire en Colombia, el contenido de los informes meteorológicos anuales, los informes de campañas de monitoreo y de los planes de calidad (MAVDT, 2008). Para el desarrollo de la presente investigación se siguieron los procedimientos para el cálculo de los promedios aritméticos diarios, mensuales y anuales, además del cálculo de la media móvil expuestos en este protocolo.. 2.6 Red de monitoreo de la calidad del aire de Bogotá (RMCAB) El Distrito Capital cuenta con la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá – RMCAB, que permite recolectar información sobre la concentración de contaminantes de origen antropogénico y natural y el comportamiento de las variables meteorológicas que regulan la distribución de los mismos en la atmósfera bogotana.. La RMCAB está conformada por trece estaciones fijas de monitoreo y una estación móvil, ubicadas en diferentes sitios de la ciudad, dotadas con equipos de tecnología automática que permiten realizar un monitoreo continuo de las concentraciones de material particulado (PM10 y PM2.5), de gases contaminantes (SO2, NO2, CO y O3) y de las variables meteorológicas de precipitación, velocidad y dirección del viento, temperatura, radiación solar, humedad relativa y presión barométrica (Ambiente, 2016).. 26.

(27) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Los datos para el análisis estadístico de series de tiempo, utilizando modelos ARIMA, en el desarrollo del presente trabajo de grado se llevó a cabo con los recolectados por seis (6) de las trece (13) estaciones fijas de monitoreo de la ciudad de Bogotá; Kennedy, Carvajal, Guaymaral (Escuela), Barrios Unidos, Puente Aranda y Corpas (Figura 1).. Figura 1. Localización de las estaciones de la RMCAB usadas en la investigación. Fuente: RMCAB, 2016.. 2.7 Metodología de Pasquill-Gifford para la determinación de la estabilidad atmosférica Como se expuso anteriormente, la atmósfera puede ser estable, neutra, o inestable (Figuras 2 y 3). Sin embargo, para estimar la dispersión y los propósitos del modelo, estos niveles de estabilidad se clasifican en seis clases basadas en 27.

(28) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. cinco categorías de velocidad del viento superficial, tres tipos de insolación diurna y dos tipos de nubosidad nocturna. Estas categorías se fundamentan en que la condición cerca del suelo depende esencialmente de la radiación solar neta y de la velocidad del viento. La existencia de nubosidad origina una disminución de la energía entrante y saliente, dependiendo esta, además, del espesor de las nubes.. Figura 3. Inestabilidad atmosférica. Fuente: (Alemán,2014).. Figura 2. Estabilidad atmosférica. Fuente (Alemán, 2014) En condiciones de estabilidad, el aire ascendente (Gradiente vertical adiabático seco ˠ) está a menos temperatura que el circundante (gradiente vertical ambiental (línea roja) y baja.. En condiciones de inestabilidad, el aire ascendente (Gradiente vertical adiabático seco ˠ) está a más temperatura que el circundante (gradiente vertical ambiental (línea roja) y sigue subiendo.. Durante el día la insolación estimada por la altura solar es modificada por las condiciones de nubosidad, mientras por la noche se tiene en cuenta exclusivamente la nubosidad total. En la Tabla 8 se sintetiza la definición de las clases de estabilidad para condiciones diurnas y nocturnas, según la radiación solar incidente expresada cal/cm² (Langleys) o en kWh/m², donde 1 cal/cm² = 0,0116 kWh/m², para todos los rangos de velocidad de viento (Moragues, 2002). La noche se define como el período desde una hora después de la puesta del sol, hasta una hora antes de la salida de este y la nubosidad se mide en octavos, es decir, 0/8 equivale al cielo totalmente despejado, 4/8 a la mitad del cielo cubierto y 8/8 es equivalente al cielo cubierto por completo.. 28.

(29) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Tabla 8. Turbulencia de la atmósfera. Categorías de estabilidad VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s) a 10 m de altura <2 2-3 3-5 5-6 >6. DÍA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE Fuerte Débil Moderada Mayor que Menor que Entre 25 y 50 50 Cal/cm2 25 Cal/cm2 Cal/cm2 h h h A A-B B A-B B C B B-C C C C- D D C D D. NOCHE. NUBOSIDAD 4/8 ≤ 7/8. NUBOSIDAD ≤3/8. F E D D D. F F E D D. Fuente: (Moragues, 2002). Las categorías de estabilidad de Pasquill- Gifford (Tabla 3) son muy utilizadas en la actualidad dado que incluyen una gran variedad de parámetros para su cálculo y son una solución cuando no se dispone de información sobre otros parámetros (p.ej. humedad relativa, presión) (Moragues, 2002).. En el ámbito internacional existen varias investigaciones en las cuales el método de Pasquill-Guifford ha sido trabajado. Una de estas consistió en la modificación de un modelo que permita la predicción de las emisiones de dos gases nocivos (H2S y NH3) mediante dos modificaciones; la primera consistió en la corrección mediante la aplicación de un modelo Gaussiano para condiciones de estabilidad neutra de la atmosfera. La segunda fue una mejora del procedimiento de estimación de coeficientes de dispersión para H2S y NH3 a partir de datos experimentales obtenidos en campo con condiciones neutras y estables de la atmosfera (Rege & Tock, 1996).. Adicionalmente Zoras (2006), describió la estabilidad atmosférica como el elemento más importante al estudiar la dispersión de contaminantes en el aire y realiza un estudio con mediciones de PM10. Así mismo estableció que el parámetro que más influye en la dispersión de PM10 en el área de estudio era la estabilidad atmosférica, cuando se trataba de horas, mientras que para periodos largos como meses la dirección del viento era de mayor influencia.(Zoras et al., 2006).. Otra investigación relevante realizó una comparación entre siete modelos utilizados para la determinación de la estabilidad atmosférica; entre ellos el 29.

(30) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. gradiente de temperatura, números Richardson y longitud de Monin-Obukhov (Mohan & Siddiqui, 1998), encontrando que el método de Pasquill es significativamente más efectivo.. 2.8. Metodologías estadísticas para series de tiempo. Una secuencia cronológica es una serie de valores de una variable observados y ordenados en el tiempo (Sánchez, 2006). Existen diferentes metodologías estadísticas para evaluar adecuadamente las series de tiempo, entre las más utilizadas se encuentran las que se mencionan a continuación: •. Modelos no lineales para el análisis de series de tiempo. − Modelos autorregresivos exponenciales de amplitud diferente (EXPAR) (Bermejo, 2011) − Modelo de heterocedasticidad condicional (ARCH) (Quesada, 2011).. •. Modelos lineales para el análisis de series de tiempo. − Modelo de regresión lineal múltiple (MRLM) (Renatas & Ángel, 2006). − Modelos autorregresivos e integrado de promedios móviles (ARIMA) (Guerrero, 2003).. 2.8.1. Modelos ARIMA La mayoría de los fenómenos reales son complejos y requieren de herramientas especializadas para representarlos. Por este motivo resulta conveniente tener en cuenta las características de la serie de tiempo, para ello se han desarrollado los modelos ARIMA. Los modelos autorregresivos e integrados de promedios móviles (ARIMA) han tenido un desarrollo excepcional, en especial al momento de analizar las tendencias de parámetros de calidad del aire. Cada una de las tres partes del acrónimo se le denomina componente y modela un comportamiento distinto de la serie. A continuación, se presenta una breve explicación de cada uno de los componentes del modelo (Fuente , 2008).. 30.

(31) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. Los modelos autorregresivos e integrados de promedios móviles (ARIMA) pueden ser vistos como una generalización de los modelos ARMA. Un cierto tipo de no-estacionariedad mostrada por algunas series de tiempo, puede representarse mediante la simple toma sucesiva de diferencias de la serie original, esto permite gran flexibilidad al representar modelos ARMA, lo que se hace es aplicar un operador diferencia ∇𝑑 , cuya función principal es eliminar una posible tendencia polinomial de orden 𝑑, presente en la serie en estudio (Guerrero, 2003). Es posible construir el proceso estacionario {𝑊𝑡 }, en donde: 𝑊𝑡 = ∇𝑑 𝑍̃𝑡. (1). Para esta nueva serie es posible obtener un modelo ARMA: ∅(𝐵)𝑊𝑡 = 𝜃(𝐵)𝑎𝑡 , lo cual sería equivalente a considerar el modelo ARIMA: ∅(𝐵)∇𝑑 𝑍̃𝑡 = 𝜃(𝐵)𝑎𝑡. (2). Un modelo ARIMA (p, d, q) indica que consta de un polinomio autorregresivo de orden 𝑝, de una diferencia de orden 𝑑 y de un polinomio de promedios móviles de orden 𝑞. De esta manera, el modelo ARIMA (p, d, q) se representa mediante: 𝑊𝑡 = ∅1 𝑊𝑡−1 + ⋯ + ∅𝑝 𝑊𝑡−𝑝 + 𝑎𝑡 − 𝜃1 𝑎𝑡−1 − ⋯ − 𝜃𝑞 𝑎𝑡−𝑞 , con 𝑊𝑡 = ∇𝑑 𝑍̃𝑡 (3). 2.8.2. Modelos autorregresivos (AR) Los modelos autorregresivos (AR) pueden expresarse como: 𝑍̃𝑡 = ∅1 𝑍̃𝑡−1 + ∅2 𝑍̃𝑡−2 + ⋯ + ∅𝑝 𝑍̃𝑡−𝑝 + 𝑎𝑡. (4). La cual es básicamente una ecuación de regresión lineal, con la característica de que el valor de la variable dependiente 𝑍̃𝑡 en el periodo 𝑡 depende, no de los valores de un cierto conjunto de variables independientes, como sucede en el modelo de regresión, sino de sus propios valores, observados en 𝑝 periodos (i.e., orden del modelo) anteriores a 𝑡 y ponderados de acuerdo con los coeficientes autorregresivos ∅1 ,…, ∅𝑝 ; y 𝑎𝑡 es un proceso de ruido blanco con media igual a cero 31.

(32) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. y varianza constante (Guerrero, 2003). Un modelo autorregresivo de orden 𝑝 se escribe AR (p). 2.8.3. Modelos de promedios móviles (MA) La idea básica de estos modelos consiste en representar a un proceso estocástico {𝑍𝑡 }, cuyos valores pueden ser dependientes unos de otros, como una suma finita ponderada de choques aleatorios independientes {𝑎𝑡 }, es decir: 𝑍̃𝑡 = 𝑎𝑡 − 𝜃1 𝑎𝑡−1 − 𝜃2 𝑎𝑡−2 − ⋯ − 𝜃𝑞 𝑎𝑡−𝑞. (5). Donde {𝑍̃𝑡 } representa las desviaciones de {𝑍𝑡 } respecto a su nivel medio 𝜇 (i.e., 𝑍̃𝑡 = 𝑍𝑡 − 𝜇) y 𝜃1 , 𝜃2 ,…, 𝜃𝑞 son las ponderaciones (parámetros de promedios móviles) asociados con los choques aleatorios en los periodos 𝑡 − 1, 𝑡 − 2,…, 𝑡 − 𝑞, respectivamente (Guerrero, 2003). Un modelo de promedios móviles de orden 𝑞 se escribe MA (q). La selección de los modelos ARIMA, generalmente se realiza en 4 etapas (Fuente Fernandez, 2008):. •. La primera consiste en decidir que transformación aplica para convertir la serie estacionaria, ordenes p y q de su estructura autorregresiva y de media móvil. •. La segunda es la etapa de estimación, donde se estiman los parámetros, y se obtienen errores estándar y los residuos del modelo.. •. En la tercera, se comprueba que los residuos no tienen estructura de dependencia y siguen un proceso de ruido blanco.. •. La última fase es la predicción del comportamiento del fenómeno en estudio.. Una experiencia representativa en el uso de este tipo de modelamiento en el estudio de la calidad del aire es el trabajo realizado por Barreto & Vega (2010) en donde se analizaron las variables de calidad del aire y meteorológicas para prever posibles eventos extremos de contaminación del aire, así mismo, conocer la estructura de las series de tiempo de las concentraciones de dióxido de nitrógeno y ozono en la ciudad de Bogotá. Otra investigación llevó a cabo el análisis 32.

(33) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. multitemporal de las concentraciones de PM10 y demostró la eficiencia del uso de los modelos ARIMA para la representación del comportamiento de esta variable en el tiempo (Zafra et al., 2017). En cuanto a estudios internacionales, se destacó la investigación realizada por el Instituto Tecnológico de Nueva Delhi en su centro para las ciencias atmosféricas, quienes desarrollaron un modelo para la predicción de la calidad del aire urbana haciendo uso de modelos ARIMA. Este trabajo realizó el análisis para la predicción con diferentes tipos de modelamiento, dentro de los que se destacan los ARIMA (Kandya et al., 2009).. 2.9 Metodologías para el análisis de uso y cobertura de suelo. Los sistemas de información geográfica (SIG) permiten analizar información espacial, generar cartografía temática y facilitan la incorporación de aspectos socioculturales, económicos y ambientales de las áreas en estudio para la toma de decisiones. El uso de estas herramientas es profuso, debido a su facilidad de adquisición y manejo. Estos sistemas pueden ser complementados con herramientas como Google Earth Pro, de acceso libre que posibilitan sacar el máximo provecho a las funciones de importación SIG, medir zonas, radios y circunferencias en el terreno e imprimir imágenes satelitales de alta calidad (Hu et al., 2013). Un estudio realizado en la ciudad de Wuhan en China demostró la viabilidad del uso de imágenes satelitales de alta resolución de Google Earth Pro para el análisis de uso y cobertura del suelo en regiones con paisajes heterogéneos, con una precisión para la clasificación del 88 % (Hu et al., 2013). Otra experiencia importante se llevó a cabo en África Oriental, donde el acceso a la información localizada es limitado y teniendo en cuenta la necesidad de la identificación exacta de la cubierta antropogénica para la planificación eficaz del territorio se hizo uso de la herramienta GE Grids, que crea una cuadrícula binaria interactiva sobre las imágenes de alta resolución de Google Earth, arrojó resultados satisfactorios de precisión y brindó mayor acceso a la información (Jacobson et al., 2015).. 33.

(34) ANÁLISIS MULTITEMPORAL DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD Y METEOROLÓGICAS PARA LA GESTIÓN DEL RECURSO ATMOSFÉRICO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ.. En la Tabla 4 del presente capítulo se expone la clasificación de usos del suelo urbano según el POT que rige la ciudad, en áreas residenciales (vivienda), comerciales (servicios empresariales e industriales, venta de productos al por mayor y al detal), industriales (fábricas), dotacionales (equipamientos de servicios urbanos básicos, recreativos, parques zonales, etc) áreas urbanas integrales (convergencia entre el uso residencial, comercial y de industria), áreas de actividad minera, áreas de suelo protegido (áreas de conservación, parques metropolitanos, ronda hídricas, etc) y áreas rurales de la ciudad destinadas a cultivos y ganadería. Para el desarrollo del trabajo de investigación se parte de los patrones existentes que relacionan el uso y la cobertura del suelo, es decir, en áreas industriales usualmente prevalece la cobertura del suelo impermeable (Morabito et al., 2016), en áreas de tipo dotacional existe un porcentaje de cobertura vegetada, sin embargo, predomina la cobertura impermeable, las áreas rurales y de protección poseen cerca de un 80 - 90% de cobertura vegetada y cuerpos de agua (Zafra et al., 2017). Es así como la tabla 10 enuncia las coberturas y tipos de uso del suelo usadas en el presente trabajo de investigación, conforme la clasificación usada por Zafra (2017):. Tabla 9. Clasificación de coberturas y tipos de uso del suelo usadas en la investigación COBERTURA Vegetada. TIPO DE USO DEL SUELO Cultivos, parques metropolitanos y zonales, zonas verdes. Parqueaderos, vías sin pavimentación, terrenos sin cobertura. Vías, Urbanizaciones, Industrias. Lagos, lagunas, humedales, ríos.. Terreno descubierto Impermeable Cuerpos de Agua. Fuente: (Zafra et al.,2017). 2.10 Normatividad Asociada A nivel internacional, la Agencia para la Protección Ambiental de Estados Unidos (US.EPA) establece Normas Nacionales de Calidad del Aire y el Ambiente, con las cuales define los límites de las concentraciones diarias y anuales promedio de partículas en la atmósfera. La guía de calidad del aire de la Organización mundial de la Salud regula los métodos de medición y los límites permisibles a nivel mundial. En Colombia, el código de recursos naturales expedido en el año de 1974 inicia la. 34.