Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo - caso de estudio Sabana de Bogotá

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(1)Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Tesis 2 Magíster en Ingeniería Civil Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. Presentado por: Ing. Rubén Darío Córdoba Álvarez Asesor: Ing. Mario Díaz- Granados. Bogotá D.C., Junio de 2012.

(2) Agradecimientos Expreso mis agradecimientos a: En primera instancia, al Ing. Cristian Camilo Monsalve por su indiscutible colaboración y aporte durante la totalidad del proyecto, Además de su indudable categoría profesional, no puedo dejar de mencionar su gran calidad personal como socio y amigo. El profesor Mario Diaz-Granados quién siempre impulso y dirigió con sumo interés mi investigación. Gustavo Herrán Sandoval, profesional especializado del área de Hidrología Aplicada de la EAABESP, por su gran interés y colaboración con el proyecto, especialmente en el suministro de la información meteorológica por parte de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB-ESP). De antemano, también agradezco al Ing. Ricardo Rosero por su permanente orientación, asesoría, y colaboración. Mi Padre y mi madre por sus sabios consejos. Y en especial a Dios por darme la oportunidad de llevar a cabo exitosamente mi maestría científica..

(3) Tabla de Contenido Agradecimientos ................................................................................................................................. 2 Índice de Gráficas ............................................................................................................................... 5 Índice de Tablas .................................................................................................................................. 7 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 8 1.. 2.. OBJETIVO Y CONTRIBUCIÓN ............................................................................................... 9 1.1.. Objetivo y contribución general .......................................................................................... 9. 1.2.. Objetivos específicos........................................................................................................... 9. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................... 10 2.1.. Estructura de la precipitación ............................................................................................ 10. 2.1.1.. Lluvias de origen Convectivo.................................................................................... 10. 2.1.2.. Lluvias de origen orográfico ..................................................................................... 11. 2.1.3.. Lluvias de Carácter Frontal ....................................................................................... 12. 2.2.. Régimen climático en Colombia ....................................................................................... 13. 2.2.1.. Variabilidad climática estacional .............................................................................. 14. 2.2.2.. Variabilidad climática interanual .............................................................................. 15. 2.3.. Régimen climático en la Sabana de Bogotá ...................................................................... 17. 2.3.1.. Comportamiento Espacial de la lluvia en Bogotá ..................................................... 18. 2.3.1.1.. Lluvias máximas en 24 horas ............................................................................ 20. 2.3.1.2.. Variación interanual de lluvias en la ciudad de Bogotá .................................... 21. 2.3.1.3.. Distribución mensual del número de días con lluvia en Bogotá ....................... 22. 2.3.1.4.. Distribución horaria mensual de ocurrencia de lluvias ..................................... 23. 2.3.2.. Comportamiento temporal de la lluvia en Bogotá..................................................... 24. 2.3.3.. Zonificación climatológica en la ciudad de Bogotá .................................................. 25. 2.3.4. Análisis Tormentas en la sabana de Bogotá y análisis de frecuencia de series hidrológicas ............................................................................................................................... 26 2.4.. Modelación estocástica del comportamiento espacio-temporal de los eventos de lluvia .. 28. 2.4.1.. Modelos jerarquizados (dominio temporal y espacial). ............................................ 28. 2.4.1.1.. Modelo de WGR LeCam (1961), Waymire et al. (1984) .................................. 29. 2.4.1.2.. Modelo Rodríguez-Iturbe et al. (1986-1987) .................................................... 29. 2.4.1.3.. Sivipalan y Wood (1987) .................................................................................. 30. 2.4.1.4.. Cowpertwait [1995]........................................................................................... 30. 2.4.2.. Modelos fractales (basados en la teoría de invarianza de escala).............................. 30.

(4) 2.4.2.1.. Modelo de la precipitación difusivo de ruido forzado αξλ ................................ 31. 2.4.2.2.. Modelo de precipitación advectivo-difusivo de ruido forzado .......................... 32. 2.5. Formulación del modelo para la distribución espacio temporal de las lluvias en la ciudad de Bogotá. Rodríguez-Iturbe y Eagleson (1987) ........................................................................... 32 2.5.1.. Objetivo del modelo en el contexto funcional........................................................... 33. 2.5.2.. Pautas de escogencia, descripción del modelo .......................................................... 33. Hipótesis del modelo ............................................................................................................. 34 Limitaciones del modelo ....................................................................................................... 34 2.5.3.. 3.. 2.5.3.1.. Modelo con celda tipo exponencial ................................................................... 37. 2.5.3.2.. Modelo tipo Gamma .......................................................................................... 43. METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 48 3.1.. Información pluviométrica ................................................................................................ 48. 3.1.1.. Disposición de la información de lluvias en Bogotá ................................................. 53. 3.1.2.. Tratamiento y selección eventos de lluvia ................................................................ 53. 3.2.. Determinación de parámetros del modelo ......................................................................... 59. 3.2.1.. 4.. Desarrollo Analítico del Modelo de Rodríguez-Iturbe y Eagleson (1987) ............... 34. Parámetros Espaciales del Modelo ............................................................................ 59. 3.2.1.1.. Determinación del parámetro D (km) ............................................................... 60. 3.2.1.2.. Estimación del parámetro (Celda/ km^-2) ................................................... 67. 3.2.2.. Valor Máximo de intensidad de celda. (mm/min) ................................................. 68. 3.2.3.. Parámetros temporales .............................................................................................. 68. 3.2.3.1.. Estimación del parámetro α (min^-1) ................................................................ 68. 3.2.3.2.. Estimación del parámetro β (min^-1) y n ......................................................... 72. RESULTADOS ......................................................................................................................... 75 4.1.. Caracterización de los eventos de lluvia en la Sabana de Bogotá ..................................... 75. 4.1.1. Caracterización según la intensidad promedio del evento (mm/hr) y las características Espacio – Temporales del evento. ..................................................................... 75 4.1.2.. Agrupación de parámetros espacio – temporales del modelo Rodríguez – Iturbe. ... 77. 4.2. Herramienta computacional. Determinación de parámetros de cualquier evento de lluvia en la Sabana de Bogotá (IdeenR). ................................................................................................. 81. 5.. 4.3.. Generación de lluvias para la Sabana de Bogotá (IdeenGen). .......................................... 84. 4.4.. Calibración del modelo espacio-temporal de generación de lluvias ................................. 89. 4.5.. Validación del modelo espacio-temporal de generación de lluvias .................................. 92. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 109.

(5) 6.. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 110. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 112 ANEXOS......................................................................................................................................... 117. Índice de Gráficas Gráfica 1.- Esquema de generación de lluvia de origen convectivo ................................................. 11 Gráfica 2.- Esquema de generación de lluvia de origen orográfico .................................................. 12 Gráfica 3.- Imagen radar del día 05/03/2011 .................................................................................... 13 Gráfica 4.- Ubicación espacial de Colombia y lugares de influencia de circulación atmosférica (NOAA, 2010)................................................................................................................................... 14 Gráfica 5.- Isolineas de precipitación anual multianual en la Sabana de Bogotá (2011) .................. 19 Gráfica 6.- Distribución promedio mensual del número de días con lluvia en la zona urbana de la ciudad de Bogotá (IDEAM-FOPAE, 2007) ....................................................................................... 23 Gráfica 7.- Clasificación climática del área de estudio IDEAM-FOPAE, 2007. ............................... 25 Gráfica 8.- Evolución temporal de la intensidad de celda ................................................................. 35 Gráfica 9.- Metodología de la investigación ..................................................................................... 48 Gráfica 10.- Un vistazo a la Sabana de Bogotá ................................................................................. 50 Gráfica 11.- Cuenca de la Sabana de Bogotá .................................................................................... 51 Gráfica 12.- Densidad de pluviómetros dispuestos en la ciudad de Bogotá ..................................... 52 Gráfica 13. Algoritmo para el tratamiento y selección de evento de lluvia representativo ............... 54 Gráfica 14. a). -Histograma de duración de episodios seleccionados; b).- Histograma de coeficientes de variación. ...................................................................................................................................... 57 Gráfica 15. Algoritmo para determinar el parámetro de atenuación espacial D (km) ....................... 63 Gráfica 16. a)- Funciones de correlación espacial del episodio del 17 de Mayo de 1976; b)Funciones de correlación espacial del episodio del 17 de Mayo de 1991 ......................................... 65 Gráfica 17.- Función de correlación espacial del episodio del 16 de Marzo del 2003 y resultados de los parámetros espaciales .................................................................................................................. 67 Gráfica 18.- Función de autocorrelación del proceso agregado para la obtención del parámetro α, episodio del 16 de marzo del 2003. ................................................................................................... 71 Gráfica 19.- Función de la media normalizada correspondiente al evento del 16/03/2003 .............. 73 Gráfica 20.- Parámetros de que controlan el instante de nacimiento de cada celda del evento correspondiente al 16/03/2003 .......................................................................................................... 74 Gráfica 21.- Procedimiento para determinar los parámetros considerando agrupamiento de los evento de lluvia ................................................................................................................................. 78 Gráfica 22.- Procedimiento para clasificar los eventos de lluvia en la Sabana de Bogotá ................ 80 Gráfica 23.- Interfaz para la selección de los pluviómetros con información de lluvias .................. 81 Gráfica 24.- Plantilla de la información desagregada del evento c/ 15 min ..................................... 82 Gráfica 25.- Interfaz de la aplicación IdeenR, para determinar los parámetros del modelo ............. 83 Gráfica 26.- Resultados. Información paramétrica y estadística del evento 16/03/2003 .................. 84 Gráfica 27.- Interfaz de la aplicación IdeenGen................................................................................ 85 Gráfica 28.- Descripción de la celda de lluvia .................................................................................. 85.

(6) Gráfica 29.- Parámetros de distribución espacio - temporales, b).- Parámetros dela celda .............. 86 Gráfica 30. a).- Mapa de Bogotá debidamente escalado, b).- Tabla de especificación porcentuales en los centros de tormenta ................................................................................................................. 87 Gráfica 31.- Ejecutables, reportes y graficas de correlación espacial, y autocorrelación temporal .. 88 Gráfica 32.- Algoritmo de Validación del modelo (Rodríguez – Iturbe) .......................................... 93 Gráfica 33.- Resultados gráficos del evento del 14/04/2003 ............................................................. 98 Gráfica 34.- Resultados gráficos del evento del 16/03/2003 ............................................................. 99 Gráfica 35.- Resultados gráficos del evento del 09/06/1995 ........................................................... 100 Gráfica 36.- Resultados gráficos del evento del 02/03/1990 ........................................................... 101 Gráfica 37.- Resultados gráficos del evento del 14/05/1985 ........................................................... 102 Gráfica 38.- Resultados gráficos del evento del 10/05/1970........................................................... 103 Gráfica 39.- Criterios de validación estadística del evento 14/04/2003 .......................................... 105 Gráfica 40.- Criterios de validación estadística del evento 16/03/2003 .......................................... 106 Gráfica 41.- Criterios de validación estadística del evento 09/06/1995 .......................................... 106 Gráfica 42.- Criterios de validación estadística del evento 02/03/1990 .......................................... 107 Gráfica 43.- Criterios de validación estadística del evento 14/05/1985 .......................................... 108 Gráfica 44.- Criterios de validación estadística del evento 05/10/1970 .......................................... 108 Gráfica 45.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Enero ............................................................................... 168 Gráfica 46.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Febrero ............................................................................ 169 Gráfica 47.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Marzo .............................................................................. 170 Gráfica 48.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Abril ................................................................................ 171 Gráfica 49.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Mayo ............................................................................... 172 Gráfica 50.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Junio ................................................................................ 173 Gráfica 51.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Julio ................................................................................. 174 Gráfica 52.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Septiembre....................................................................... 175 Gráfica 53.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Octubre ............................................................................ 176 Gráfica 54.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Noviembre ....................................................................... 177 Gráfica 55.- Iso-lineas del promedio de precipitación mensual en la Sabana de Bogotá, utilizando interpolación espacial krigging, Mes de Diciembre ........................................................................ 178.

(7) Índice de Tablas Tabla 1.- Estaciones pluviográficas utilizadas en el estudio por el IDEAM, la empresa de Acueducto y alcantarillado de Bogotá y la CAR- Cundinamarca. ...................................................................... 17 Tabla 2.-Valores registrados de precipitación (mm) máxima en 24 horas ........................................ 20 Tabla 3.- Valores registrados de precipitación (mm) máxima en 24 horas en Oriente y Sur- Oriente de la ciudad ....................................................................................................................................... 21 Tabla 4.- Valores máximos registrados de precipitación (mm) Anual multianual en la Sabana de Bogotá ............................................................................................................................................... 22 Tabla 5.- Estudios cronológicamente organizados sobre análisis hidrológico en la Sabana de Bogotá ........................................................................................................................................................... 26 Tabla 6.- Información de lluvia acumulada (mm) del evento 16/03/2003 ....................................... 55 Tabla 7.- Características del episodio del 16/03/2003 ...................................................................... 58 Tabla 8.- Características del episodio del 16 de marzo del 2003 ...................................................... 66 Tabla 9.- Elaboración de la correlación espacial del episodio correspondiente al 16 de Marzo del 2003 ................................................................................................................................................... 66 Tabla 10.- Precipitación acumulada por cada 30 minutos de registro en el episodio del 16 de marzo del 2003 en las estaciones más cercanas al centro de tormenta ........................................................ 69 Tabla 11.- Periodo seleccionado para el cálculo del parámetro de atenuación temporal α del episodio, 16/03/2003 ......................................................................................................................... 70 Tabla 12.- Cálculos para la obtención de la función de autocorrelación temporal en los tres puntos seleccionados..................................................................................................................................... 70 Tabla 13.- Precipitación acumulada por cada 30 minutos de registro en el episodio del 16 de marzo del 2003 en la estación de San Diego ................................................................................................ 72 Tabla 14.- Cálculo para obtener la función de la media normalizada del evento, 16/03/2003 ......... 72 Tabla 15.- Mejor ajuste de la distribución acumulada tipo Erlang para el evento del 16/03/2003 ... 73 Tabla 16.- Clasificación de los eventos según el promedio de intensidad por unidad de Área. ....... 76 Tabla 17.- Clasificación de la duración de los eventos en la Sabana de Bogotá ............................... 77 Tabla 18.- Caracterización paramétrica de los eventos lluvia en la sabana de Bogotá. Valores descriptivos de los episodios ’R’ ‘D’, ‘CA’. ..................................................................................... 78 Tabla 19.- Parámetros de los eventos aleatorios para Calibración del modelo ................................. 91 Tabla 20.- Error absoluto de la altura de precipitación (eventos aleatorios) ..................................... 91 Tabla 21.- Características paramétricas e información necesaria de los eventos para validar el modelo ............................................................................................................................................... 94.

(8) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. INTRODUCCIÓN La precipitación, a diferencia de otras variables meteorológicas, se caracteriza por su enorme variabilidad tanto temporal como espacial. Cuando se habla de las escalas mayores hay que poner especial énfasis en la planificación y gestión de los recursos hidráulicos. A escalas menores (desde minutos, horas y días), se requiere una especial atención tanto en la predicción cuantitativa de la lluvia como en su simulación a estas escalas, debido a la repercusión directa que existe con las escorrentías y, por tanto, con las crecientes. Para ello, los modelos dinámicos aplicados a las pequeñas escalas, por la propia naturaleza caótica de la atmósfera y por los requerimientos computacionales, son especialmente indicados para la predicción, siendo generalmente necesario acoplar algún modelo estadístico para alcanzar las escalas más finas. En cuanto a la modelación puramente estocástica de la lluvia, resulta sumamente atractivo el enfoque que se centra en la invarianza de escala, puesto que resultan modelos muy parsimoniosos. Sin embargo, para este tipo de modelación se requiere, habitualmente, información proveniente de RADAR, algo no siempre disponible, y de difícil interpretación de la evolución temporal de celdas de lluvia, algo que se cree que es vital cuando lo que se intenta modelar son los eventos críticos que generan desastres y alteraciones de toda índole. Adicionalmente, en estos modelos distribuidos existen una serie de puntos clave, tanto de índole práctica como teórica. Una de las cuestiones más importantes es la correcta definición del proceso de precipitación en su dimensión espacial y temporal. Sin duda, cualquier mejora u esfuerzo representa un avance enorme, permitirá una operación más realista de los modelos distribuidos. La variabilidad espacial y temporal del proceso es absolutamente necesaria. Las tormentas se configuran en núcleos asociados a la ocurrencia de celdas que ocasionan localmente fuertes intensidades, superando en ciertas ocasiones los 70 mm/día. Así, los centros de actividad nacen, se desarrollan y desaparecen dentro de unas escalas espaciales y temporales típicas, caracterizables estadísticamente. De esta manera, para este tipo de dinámicas, el enfoque de modelación matemática que mejor se acopla ha sido el basado en procesos estocásticos de punteo, RodríguezIturbe et al. (1987). El episodio lluvioso es conceptualizado como resultado de una superposición en el espacio-tiempo de una serie de celdas que nacen con arreglo a un proceso estocástico de punteo. Siguiendo la modelación estocástica de la precipitación, cabe destacar que uno de los modelos espacio temporales más representativos de los eventos de la Sabana de Bogotá es el modelo de (Rodríguez-Iturbe et al. (1987). De esta manera, la presente investigación aborda el desarrollo, aplicación y contraste de este modelo estocástico multidimensional de precipitación basado en investigaciones anteriores, pero introduciendo significativas mejoras. Siendo capaz de recoger de forma satisfactoria las propiedades estructurales y características de los episodios de lluvia de la. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 8.

(9) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Sabana de Bogotá. Una vez los objetivos han sido planteados, la estructura del proyecto de investigación es la siguiente: En el capítulo 2 se definen los conceptos clave sobre la naturaleza de la precipitación, las propiedades de la lluvia y las características en la Sabana de Bogotá. Luego, se revisan los principales modelos espacio temporales de lluvia y se contrastan los modelos que pueden fielmente representar las características espacio – temporales de las lluvias en la Sabana de Bogotá. Adicionalmente, se describen las características de los modelos precursores del desarrollado en esta tesis, junto con la formulación detallada del nuevo modelo propuesto en este proyecto de investigación. En el capítulo 3, se propone la metodología seguida para la selección y tratamiento de los episodios lluviosos que servirán para la estimación de los parámetros espacio – temporales del modelo. Luego, se presenta el procedimiento para estimar analíticamente las características paramétricas del modelo. En el capítulo 4, se caracterizan los eventos lluvia de la Sabana de Bogotá, se explica de manera práctica y detallada las dos (2) herramientas computacionales para la determinación de los paramétricas del modelo, y generación de lluvias. Y finalmente, se aborda la metodología de calibración y validación del modelo propuesto por el autor, con el fin de verificar la fiabilidad y validez del modelo en el contexto de lluvias de la Sabana de Bogotá. En el capítulo 5 y 6 hace énfasis a las conclusiones, recomendaciones y futuras líneas de investigación. Y finalmente, se encuentran los anexos, donde se presentan todos los resultados y procedimientos obtenidos durante el ejercicio de modelación.. 1. OBJETIVO Y CONTRIBUCIÓN 1.1.. Objetivo y contribución general. Se busca el desarrollo y la aplicación de un modelo estocástico multidimensional, el cual debe ser capaz de representar las características de ciertos episodios de lluvia en la Sabana de Bogotá.. 1.2.. Objetivos específicos. . Formular un modelo para la simulación espacio-temporal de los episodios típicos de lluvia en la Sabana de Bogotá.. . Desarrollar una herramienta computacional para la simulación numérica de los campos de intensidades de lluvia asociados a algunos episodios de precipitación típicos registrados en la Sabana de Bogotá, Colombia.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 9.

(10) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. . Estudiar la estructura y variabilidad espacio - temporal de la precipitación, con el fin de profundizar en el conocimiento de los episodios de tormenta que se presentan en la ciudad. Para ello se debe optar por el enfoque de modelación más adecuado.. . Generar campos de lluvia sintéticos basados en el modelo a escoger, útiles para ser implementados en cualquier modelo hidrológico o hidráulico de drenaje urbano.. . Desarrollar una herramienta de carácter visual que permite de forma cómoda para el usuario, simular y analizar los campos de intensidad de lluvia de la Sabana de Bogotá.. 2. ESTADO DEL ARTE 2.1.. Estructura de la precipitación. La extensión superficial, la intensidad y la duración de un sistema de precipitación dependen de los movimientos verticales de aire. La precipitación se suele clasificar en tres grandes grupos según su estructura. En términos generales, la precipitación de carácter estratiforme, muestra una estructura en la que la precipitación más intensa queda confinada a elementos cuyo tamaño es tan sólo de unos cuantos kilómetros. Mientras que la precipitación de carácter convectivo puede extenderse sobre grandes superficies. Muchas veces no es fácil distinguir la precipitación por su estructura, es posible distinguir un proceso de precipitación no uniforme (convectivo), con zonas locales más intensas, o por el contrario, uniforme (estratiforme), con una estructura a pequeña escala, y de gran extensión.1. 2.1.1. Lluvias de origen Convectivo A diferencia de las lluvias de origen orográfico, las lluvias convectivas suelen producirse en zonas llanas o con pequeñas irregularidades topográficas, donde puede presentarse un ascenso de aire húmedo y cálido dando origen a las nubosidades. Este tipo de lluvias se produce generalmente cuando el aire asciende por gradientes de temperatura a causa de un calentamiento local; este tipo de lluvias son propias de las regiones ecuatoriales y tropicales.. 1. Austin, P.M., Houze, R.A., 1972. “Analysis of the structure of precipitation patterns in New England”. Journal of Applied Meteorology, 11, pp. 926-935. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 10.

(11) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Las lluvias convectivas suelen producirse en las horas de la tarde. La radiación solar va calentando durante el día la superficie terrestre, las columnas de aire caliente comienzan a ascender en los lugares que más se han calentado dando origen a un rápido enfriamiento de las mismas, produciéndose la rápida condensación y la formación de nubes de desarrollo vertical, que finalmente son las responsables de las lluvias intensas y las tormentas.. Gráfica 1.- Esquema de generación de lluvia de origen convectivo2. 2.1.2. Lluvias de origen orográfico Son las producidas por el ascenso de una columna de aire húmedo que al encontrarse con un obstáculo orográfico, alcanza el punto de saturación del vapor de agua, y una humedad relativa del 100%, dando origen a la lluvia. Ver Gráfica 1.. 2. bachillerworks.blogspot.com. Extraído el 02 de Enero del 2012. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 11.

(12) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Gráfica 2.- Esquema de generación de lluvia de origen orográfico3. Este tipo de lluvias generalmente son de carácter continuo, y están asociadas a movimientos ascendentes de aire a gran escala, producidos bien sea por la elevación frontal, topográfica o por una convergencia horizontal a gran escala.4. 2.1.3. Lluvias de Carácter Frontal La lluvia de este tipo está embebida dentro de perturbaciones sinópticas en lo que se denomina mesoescala-α (200-2000 km), este tipo de perturbaciones llevan asociados sistemas frontales. Austin y Houze (1972) estudiaron la precipitación de nueve episodios en Nueva Inglaterra. Las corrientes descendentes que tienen lugar en la nubes con precipitación y que favorecen el ascenso del aire a su alrededor, provocan el nacimiento de una nueva celda. A su vez estas celdas forman bandas de unos 20 km de ancho y en algunos casos puede llegar a tener varios kilómetros de longitud. De esta manera, la intensidad de estas bandas depende en gran medida del tipo de frente que las produzca. En frentes fríos, predomina la lluvia convectiva, mientras que en frentes cálidos, donde se presentan nubosidades, predominan las lluvias de origen estratiforme. El elemento más pequeño se le denomina “celda”. Tanto las celdas de lluvia como ciertos agrupamientos de celdas (clusters) dentro de las bandas de lluvia pueden ser identificados en 3. es.wikipedia.org/wiki/Lluvia_orogr%C3%A1fica. Extraída el 02 de Enero del 2012. 4. Salsón S., Gracia-Bartual R., 2001. “Modelo Matemático para Simulación Numérica espacio-temporal de Intensidades de lluvia en episodios torrenciales de carácter convectivo”. Valencia, España.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 12.

(13) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. regiones donde la extensión de la precipitación es mayor que en las bandas de lluvia. A estas regiones se las denomina pequeñas áreas de mesoscala. A cada unas de estas pequeñas áreas se la identifica con una zona potencial para la formación de clusters.5. Gráfica 3.- Imagen radar del día 05/03/2011. El círculo más grande se denomina banda de lluvia. Los círculos interiores corresponden a las pequeñas áreas de mesoscala, y los círculos pequeños señalan las celdas convectivas.. 2.2.. Régimen climático en Colombia. Naturalmente, el clima varía en diferentes escalas de tiempo y espacio. En el siguiente capítulo se trata la variabilidad climática Colombiana en sus diferentes escalas. Entiéndase que cuando se habla de la variabilidad climática, se hace referencia a las fluctuaciones observadas en el clima durante períodos de tiempo relativamente cortos. Colombia recibe la influencia de la circulación atmosférica de la cuenca Amazónica. Además, cuenta con la presencia de una barrera orográfica que constituye los tres ramales de la cordillera de. 5. Gupta, V.K. and Waymire, E., 1993. “A statisticals analysis of mesoscale rainfall as a random cascade”. Journal of Applied Meteorology, 32, pp. 251-267.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 13.

(14) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. los Andes. Estos factores en adicional a su situación geográfica, inducen a la formación de climas locales y regionales de alta complejidad. Ver Grafica 4.. Gráfica 4.- Ubicación espacial de Colombia y lugares de influencia de circulación atmosférica (NOAA, 2010). 2.2.1. Variabilidad climática estacional Esta escala corresponde a la fluctuación del clima a nivel mensual. La determinación del ciclo anual de los elementos climáticos es una fase fundamental dentro de la variabilidad climática a este nivel. Esta escala, una de las más importantes fluctuaciones del clima colombiano, es explicada por el movimiento de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Este, corresponde a un cinturón de baja presión que ciñe el globo terrestre en la región ecuatorial.6 6. Montoya, G. y Eslava J., 2000. “Análisis de las condiciones que favorecen el desarrollo de la actividad convectiva y de las tormentas eléctricas en la Sabana de Bogotá”. pp 23-30.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 14.

(15) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. En principio, el aire es empujado a esta zona por la acción de la celda de Hadley, para luego ser transportado verticalmente hacia arriba por la actividad convectiva de las tormentas (Poveda y Carvajal, 1997). A diferencia del nivel terrestre, sobre el océano la banda de la ZCIT raramente es continua y casi nunca está sobre el ecuador, casi siempre está formada por nubes con tamaños de cientos de kilómetros separados por regiones de cielo despejado; la intensidad de la ZCIT es muy variable en el tiempo y en el espacio (Mesa, Poveda y Carvajal, 1997). Es por esto que las variaciones de posición de la ZCIT afectan las precipitaciones en los países ecuatoriales, produciendo estaciones secas y húmedas en lugar de frías y cálidas. De hecho, la fuerza de Coriolis es mucho menor en las latitudes cercanas al ecuador terrestre (Montoya, 2000). Este es el caso de Colombia, país ubicado directamente sobre la ZCIT. Esta situación le proporciona constantemente viento y humedad, que en conjunto con el relieve definen las temporadas de lluvias y sequía. Es importante resaltar que gracias a la ubicación geográfica, Colombia no cuenta con estaciones convencionales; sino que por el contrario cuenta con solo dos períodos, uno de lluvias intensas (período húmedo) y otro de lluvias aisladas o sequía (período seco). De igual manera, en el centro del país se presentan dos temporadas lluviosas (abril - mayo y octubre - noviembre), y dos temporadas secas (diciembre - febrero y junio - agosto), como resultado del doble paso de la ZCIT sobre el territorio colombiano.7. 2.2.2. Variabilidad climática interanual La variabilidad climática interanual notablemente está relacionada con las alteraciones en el balance global de la radiación, un ejemplo son los fenómenos del ciclo El Niño-La Niña-Oscilación del Sur. Otras fluctuaciones de las variables climáticas en la escala interanual podrían estar asociadas con la Oscilación Cuasibienal (QBO).8 El Fenómeno del Niño-Oscilación del Sur (ENSO) es un evento natural que se da como resultado de la interacción entre el océano y la atmósfera en la región del Océano Pacífico ecuatorial. Este tiene dos componentes, la componente oceánica que es el Niño y la componente atmosférica conocida como Oscilación del Sur (Poveda, 2005). Ocurre a intervalos de 2 – 7 años, y se caracteriza porque la superficie del mar y la atmósfera sobre él, presentan una condición anormal durante un período 7. Poveda, G. y Rojas, W. XII Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología., 1996. “Impacto del fenómeno El Niño sobre la intensificación de la malaria en Colombia”. Sociedad Colombiana de Ingenieros, pp. 647654. 8. Pabón J. D., 2003. “El cambio climático global y su manifestación en Colombia. Cuadernos de Geografía, volumen XII (1-2)”. pp. 111-119.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 15.

(16) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. que va de 12 - 18 meses. El Niño se desarrolla a través del calentamiento anómalo de las aguas superficiales del centro y este del Océano Pacífico, el cual produce una profundización de la termoclina oceánica, el debilitamiento de los vientos alisios del este y el desplazamiento del centro de convección del oeste al centro del océano pacífico tropical. La Oscilación del Sur es una onda estacionaria en la masa atmosférica que produce un gradiente de presiones entre el oeste y el este del Pacífico ecuatorial. Un centro de alta presión se localiza cerca de Tahití (18°S, 150° O), mientras que un centro de baja presión se localiza en Indonesia y el norte de Australia cerca de Darwin (12°S, 131° E). (Poveda, 2005). En general, durante el Niño se presenta una disminución en la precipitación y en los caudales medios mensuales de los ríos de Colombia, así como una disminución en la humedad del suelo y en la actividad vegetal (Poveda y Jaramillo, 2000; Poveda et al., 2001). Adicionalmente, se presenta un incremento en las temperaturas medias del aire. Todas estas anomalías hidro-climáticas presentan alguna variabilidad regional y temporal, y están asociadas a efectos adversos en la agricultura, la producción agropecuaria, la generación de energía eléctrica, y el transporte fluvial.9 En general, los efectos de El Niño son más fuertes y más inmediatos sobre el occidente que sobre el oriente del país (Poveda y Mesa, 1997). Durante el fenómeno de la Niña ocurre lo contrario, se presentan episodios de precipitación muy intensos, crecientes en los afluentes, inundaciones de planicies aluviales, y deslizamientos de tierras. Otro de los fenómenos atmosféricos que se presenta es la llamada Oscilación Cuasi-bienal, la cual está relacionada con la variabilidad climática a escala interanual. Esta es una oscilación de largo plazo en la dirección del viento zonal de la baja y media estratósfera ecuatorial, con un período irregular que varía de 20 a 35 meses.10 Al parecer, no existe influencia alguna sobre las precipitaciones en Colombia (Poveda, 2004). Regionalmente, la oscilación cuasi-bienal ha sido detectada tanto en la temperatura del aire, como en la precipitación de la Sabana de Bogotá. Esta oscilación es más marcada en algunos sectores de la región (sur-occidente y norte) de la Sabana de Bogotá.11. 9. Poveda, G., Jaramillo, A., Gil, M. M., Quiceno, N., y Mantilla, R., 2001. “Seasonality in ENSO related precipitation, river discharges, soil moisture, and vegetation index (NDVI) in Colombia”, Water Resources Research, 37 (8), pp. 2169-2178. 10. Mesa, OJ., Poveda, G., Carvajal, L., 1997. “Introducción al clima de Colombia”. Universidad Nacional de Colombia-sede Medellín. Medellín, pp. 390. 11. Torres S., Germán A.,2008. “Variabilidad Climática Interanual en la Sabana de Bogotá”. pp. 142.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 16.

(17) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. 2.3.. MIC-201210-04. Régimen climático en la Sabana de Bogotá. A continuación se presenta la síntesis y el análisis de los resultados reportados en una investigación previamente desarrollada por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM) y el Fondo de Prevención y Atención de Emergencias (FOPAE) para la ciudad de Bogotá, 2007. En él, se ilustra la distribución espacio-temporal a gran escala de variables meteorológica del interés en esta investigación, tales como la precipitación. Este estudio tiene como objetivo la implementación de una herramienta confiable, y amigable para el usuario sobre el comportamiento del clima en la ciudad de Bogotá. Fue realizada a partir del análisis y procesamiento de datos de 26 estaciones de la red meteorológica de la ciudad, Ver tabla. 1. Tabla 1.- Estaciones pluviográficas utilizadas en el estudio por el IDEAM, la empresa de Acueducto y alcantarillado de Bogotá y la CAR- Cundinamarca.. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM).. Aeropuerto El Dorado, Escuela Colombiana de Ingeniería, Granja San Jorge, Las Vegas, Jardín Botánico, Universidad Nacional, yVenado de Oro.. Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá (EAAB-ESP).. Bocagrande-Salitre, Bosa Barreno No. 2, Cerro de Suba, Contador, El Delirio, El Granizo, El Hato, El Verjón, La Regadera, San Francisco Salitre K9, San Diego, San Luis, Santa Lucía, Torca, Usaquén Santa Ana y Vitelma.. Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR).. Aeropuerto Guaymaral, Doña Juana, y El Bosque. .. La caracterización de las lluvias fue realizada a partir de las estaciones con los registros más extensos, (30 años para la precipitación); el período de análisis fue 1971-2000 y 1971-2004.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 17.

(18) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. 2.3.1. Comportamiento Espacial de la lluvia en Bogotá La ciudad de Bogotá presenta dos períodos de lluvia en el año: Un período húmedo, y dos períodos secos. El primero, inicia en marzo y dura todo abril y mayo. El segundo, comienza en septiembre y dura todo octubre y noviembre. Existen meses de transición entre los diferentes períodos: marzo, junio, septiembre y diciembre. Como resultado del análisis espacial de la precipitación (IDEAM y FOPAE, 2007)12 se elaboraron 13 mapas para el período 1971-2000. En el primer mapa se presenta la distribución de la precipitación media anual multianual, los restantes se refieren a la distribución de la precipitación media mensual multianual. En esta investigación los mapas han sido actualizados con datos de precipitación hasta octubre del 2011.. 12. Alcaldía Mayor de Bogotá., FOPAE - Fondo Prevención y Atención de Emergencias, 2007. Estudio de la Caracterización Climática de Bogotá y Cuenca Alta del Río Tunjuelo, Bogotá.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 18.

(19) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Gráfica 5.- Isolineas de precipitación anual multianual en la Sabana de Bogotá (2011). El paso de la ZCIT es determinante en las temporadas de invierno y verano en la zona. Tal como se ve en la Ver Grafica 5, se identifican núcleos alargados en sentido norte-sur. Cabe notarse la presencia de tres gradientes de precipitación en la ciudad. El primero en sentido oeste-este, con aumento de las lluvias acumuladas anuales iniciando desde 560 mm en el sector occidental, alcanzando los 1200 mm sobre los cerros orientales. Este comportamiento se debe a la influencia de la cadena orográfica que delimita a Bogotá por el oriente. El segundo gradiente se observa en sentido sur-norte, iniciando con 600 mm en el sector suroccidental, en aumento hacia el centro de la ciudad con 900 a 1000 mm, y alanzando finalmente 1200 mm en el Noreste de la ciudad. La tercera banda de lluvia se observa desde el sector con 600 mm, dirigiéndose hacia la parte media y alta de la cuenca del río Tunjuelo con 1400 mm. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 19.

(20) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. aproximadamente. En resumen, se logra identificar tres diferentes comportamientos en la precipitación: Desde el sector occidental hacia el sector sureste, desde el sector central hacia el sector sur-sureste de la ciudad. Adicionalmente, se logra identificar que las precipitaciones más bajas se presentan hacia el suroccidente de la ciudad, con valores acumulados anuales de 600 -700 mm, principalmente en las localidad de: Kennedy, Bosa y hacia el sector de Santa Lucia, La Picota, Quiba y Doña Juana en la cuenca baja del rio Tunjuelo. En el sector occidental y nor-occidental, más exactamente en las zonas de: Fontibón, Engativa y el Cortijo resulta una franja que se extiende hacia el norte de la ciudad, con valores de lluvia aproximados a los 800 mm en Guaymaral y la Conejera. Por otro lado hacia el centro de la ciudad, más exactamente en las localidades de Teusaquillo y Chapinero, las precipitaciones oscilan entre los 800 y 1000 mm, aumentando hacia los cerros orientales donde se alcanzan los 1200 mm; en zonas aledañas a la localidad de Usaquén. Además, se identifica que la precipitación crece desde el centro de la ciudad hacia el sur y sur-occidente, alcanzando los 1100 mm en sectores de Juan Rey y 1300 mm sobre la parte alta de la sub-cuenca de la quebrada Yomasa.. 2.3.1.1.. Lluvias máximas en 24 horas. Los meses definidos como temporada lluviosa son aquellos que presentan los mayores registros de lluvia máximas en 24 horas. En las zonas urbanas, los meses de marzo, abril, mayo, octubre y noviembre sobresalen con valores significativos. Las zonas con mayor incidencia de lluvia se localizan al occidente, sur-occidente y centro del área urbana. A continuación se reportan valores máximos identificables con su correspondiente fecha y valor de precipitación en mm.13 Tabla 2.-Valores registrados de precipitación (mm) máxima en 24 horas. Estación. Sector. Año. Mes. San Luis- (EAAB-ESP) San Diego - (EAAB-ESP) Contador - (EAAB-ESP) Usaquén Santa Ana (EAABESP) Cerro Suba (EAAB-ESP) Jardín Botánico (IDEAM). Nor-Oriental Sur Norte. 2000 1954 1999. Abril Noviembre Noviembre. Máximas precipitaciones en 24 horas 129 mm 95 mm 82.3 mm. Nor-Oriental. 1937. Noviembre. 110 mm. Nor-Occidental Occidental. 2004 1999. Marzo Marzo. 73.2 mm 73.3 mm. 13. Alcaldía Mayor de Bogotá., FOPAE - Fondo Prevención y Atención de Emergencias, 2007. Estudio de la Caracterización Climática de Bogotá y Cuenca Alta del Río Tunjuelo, Bogotá.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 20.

(21) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. En sectores de los Cerros Orientales, las máximas precipitaciones en 24 horas son significativas y están distribuidas a lo largo de la cadena montañosa. Tabla 3.- Valores registrados de precipitación (mm) máxima en 24 horas en Oriente y Sur- Oriente de la. ciudad. Estación. Sector. Año. Mes. Máximas precipitaciones en 24 horas. 2005. Mayo. 139 mm. 1998 1974 1974 1966 2001. Noviembre Marzo Marzo Diciembre Marzo. 112 mm 105 mm 102.8 mm 115.6 mm 90 mm. 1997. Octubre. 97 mm. El Granizo. (EAAB-ESP). Oriental Monserrate. El Verjón. (EAAB-ESP). Vía Chiachí. El Delirio. (EAAB-ESP). Sur- Oriente. Venado de Oro (IDEAM). Oriental Monserrate, Guadalupe. Sin embargo, no sólo en los meses de temporada lluviosa se presentan valores altos de precipitación máxima en 24 horas. Se pueden señalar los siguientes casos: Venado de Oro con 95.8 mm en enero del 2001, Usaquén Santa Ana con una precipitación de 121.2 mm en enero de 1938 y 110 mm en julio de 1943; San Francisco-Salitre con 94 mm en enero de 1999, (IDEAM y FOPAE, 2007).. 2.3.1.2.. Variación interanual de lluvias en la ciudad de Bogotá. En lo que respecta a la variación interanual de la precipitación en la parte urbana de la zona de estudio, se determina un comportamiento irregular de la ocurrencia de la cantidad de precipitación, mostrando oscilaciones variadas año tras año. Los años más lluviosos de los 34 años de análisis, es decir entre 1971-2004, han sido en su orden 1999, 2004 y 1979, seguidos de 1971, 1988, 1994 y 1998, los cuales también se destacan con registros relativamente altos, comparados con sus valores promedio. Por supuesto, algunos de estos años coinciden con la ocurrencia del fenómeno de La Niña, (IDEAM y FOPAE, 2007). A partir del análisis anual multianual de la lluvia reportada por las instituciones (IDEAM, CAR, EAAB-ESP) es evidente que entre las mayores precipitaciones registradas se encuentran:. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 21.

(22) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Tabla 4.- Valores máximos registrados de precipitación (mm) Anual multianual en la Sabana de Bogotá. Estación. Sector. Año. Precipitación Anual multianual. Guadalupe. (EAAB-ESP). Oriental Monserrate, Guadalupe. 1999. 1639.1 mm. Vitelma. (EAAB-ESP). Sur- Oriente. 1999. 1403 mm. Centro Oriental – Monserrate. 1979. 1403.6 mm. 1979. 1424.2 mm. Vía Chiachí. 2004. 1582 mm. Sur-Oriental Sur-Oriental Sur. 2004 1986 1967. 1585.7 mm 1600 mm 2416.7 mm. Universidad Nacional (IDEAM) El Granizo. (EAAB-ESP). San Francisco-Salitre km 9 (EAAB-ESP) Juan Rey (EAAB-ESP) El Delirio(EAAB-ESP) El Bosque (CAR). Sin embargo, a nivel histórico existen registros de lluvias anuales de carácter más significativos como los observados en los años de 1950, 1954 y 1938 respectivamente, en las estaciones de: San Diego sector central con 1657.2 mm, en 1950; El Granizo sector de Monserrate con 1864.7 mm, en 1950; San Luis con 1537.7 mm, en 1950 y Cerro de Suba con 1353.5 mm, en 1950, IDEAMFOPAE (2007). Con relación a eventos atípicos de períodos bajos de lluvias o secos, se destacan los años: 1973, 1974, 1992 y 2001, seguidos muy cerca de los años: 1977, 1978, 1980, 1983, 1987, 1993 y 1997. Estos años en su mayoría coinciden con la presentación del fenómeno de El Niño.. 2.3.1.3.. Distribución mensual del número de días con lluvia en Bogotá. El número promedio de días con lluvia es de 18, a partir del mes de abril hasta el mes de noviembre, con precipitaciones destacadas en los meses de mayo, junio y octubre. Durante la primera temporada invernal sobresale el mes de mayo con 20 días de ocurrencia y en la segunda el mes de octubre, con 19 días respectivamente. En el sector de los cerros orientales, los meses que registran mayor número de días con lluvia son: mayo, junio, julio y agosto, alcanzando en promedio 25 días de lluvia. En la cuenca media y alta del río Tunjuelo se presentan promedios que alcanzan los 28 días. Con respecto a los meses con menor número de días lluviosos se encuentran enero y febrero, con promedio por debajo de 10 días, para toda el área de Bogotá y la cuenca alta del río Tunjuelo, IDEAM-FOPAE (2007). En la Grafica 6 se muestra la distribución promedio mensual del número de días con lluvias para algunas estaciones de la zona urbana y rural.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 22.

(23) Promedio mensual de dias Lluviosos. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. 25 20 15 10 05 00. Mes. Gráfica 6.- Distribución promedio mensual del número de días con lluvia en la zona urbana de la ciudad de Bogotá (IDEAM-FOPAE, 2007). 2.3.1.4.. Distribución horaria mensual de ocurrencia de lluvias. Únicamente con base en la información Hidrometeorológica de la estación del Aeropuerto El Dorado, es posible medir la precipitación a nivel horario, durante las 24 horas del día. El período de tiempo analizado fue 1975 a 2005, para el cual se tuvieron en cuenta toda clase de rango de lluvia desde 0.1 mm hasta > 20 mm. Como resultado del estudio IDEAM-FOPAE (2007) las menores ocurrencias se presentan en los meses de enero y febrero, del orden del 5% entre las 9 de la noche y las 11 de la mañana. A partir del mediodía y hasta las 8 de la noche, la ocurrencia de la precipitación aumenta hasta alcanzar un máximo de 25% en el mes de enero y 32% en el mes de febrero, principalmente entre las 4 y 5 de la tarde. Para los demás meses, la probabilidad de ocurrencia aumenta considerablemente, con valores superiores al 15% tanto en el día como en la noche. A partir del mediodía y hasta las 7 de la noche, se identifica un aumento significativo, alcanzando el máximo de ocurrencia entre la 1 y las 4 p.m. Esto sucede particularmente en los meses de abril, mayo, junio, octubre y noviembre, con promedios de 46% de ocurrencia de lluvias en estas horas. De esta manera se puede concluir que a raíz de la creciente incidencia del sol en las horas de la mañana se producen ascensos de corrientes de viento, dando lugar a grandes formaciones nubosas, y por ende los fuertes episodios de lluvia después de medio día.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 23.

(24) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. 2.3.2. Comportamiento temporal de la lluvia en Bogotá Ese evidente que las dos temporadas de lluvias en el país se presentan a causa de los desplazamientos en sentido norte-sur-norte, y la banda ZCIT, tal como se menciono en los puntos anteriores. Además de otros aspectos de carácter local, entre ellos se destacan los efectos de calentamiento y advección de masas húmedas que penetran la zona. Sin olvidar el factor orográfico, cuya influencia es determinante en el comportamiento de las lluvias en la Sabana de Bogotá. En la cuenca de la Sabana de Bogotá la distribución de la precipitación es de carácter bimodal, con dos temporadas de lluvias bastante marcadas y dos temporadas relativamente secas. En la cuenca alta del río Tunjuelo se observa un régimen de carácter mono-modal. Por otro lado, en la cuenca media se aprecia una transición entre mono-modal y bimodal. Este comportamiento es consecuencia de la influencia del régimen de lluvias de los Llanos Orientales, presentándose la temporada lluviosa desde el mes de abril hasta noviembre, y la temporada seca en los meses de diciembre a marzo. En los cerros orientales, se muestra un régimen bimodal no acentuado. En particular, las estaciones más cercanas a la ciudad, El Granizo, San Francisco-Salitre y Vitelma (al sureste de la ciudad), se ajustan a los períodos lluviosos de abril - mayo y octubre - noviembre, con precipitaciones que oscilan entre los 114 mm y 128 mm para el primer período y 119 mm - 135 mm para el segundo período lluvioso del año. Para la temporada seca, las lluvias oscilan entre 59 y 71 mm, presentando la más baja en Vitelma en el mes de enero. Por otra parte, en las estaciones meteorológicas localizadas en los cerros orientales al sur de la ciudad, es decir, El Delirio, El Bosque y El Verjón, se presenta régimen monomodal, caracterizando el mes de julio como el mes de mayores registros de precipitación, entre 155 mm en la estación El Verjón y 173 mm en El Bosque.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 24.

(25) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. 2.3.3. Zonificación climatológica en la ciudad de Bogotá La zonificación climática fue realizada y reportada por IDEAM-FOPAE (2007) con base en la clasificación y método de C. W. Thornthwaite. Esta clasificación para Bogotá y la cuenca alta del río Tunjuelo permitió diferenciar varios tipo de clima como son: Zonas Semisecas (C1), Zonas Semihúmedas (C2), Zonas ligeramente húmedas (B1), Zonas Moderadamente Húmedas (B2), Zonas Húmedas (B3), Zonas Muy Húmedas (B4), Zonas Superhúmedas (A). Ver Grafica 7. Gráfica 7.- Clasificación climática del área de estudio IDEAM-FOPAE, 2007.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 25.

(26) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. 2.3.4. Análisis Tormentas en la sabana de Bogotá y análisis de frecuencia de series hidrológicas Montoya y Eslava (2000), en su estudio titulado: Análisis de las condiciones que favorecen el desarrollo de la actividad convectiva y de las tormentas eléctricas en la Sabana de Bogotá, mediante un análisis de cerca de diez años de datos meteorológicos concluyeron que las tormentas en la Sabana de Bogotá obedecen al alto contenido de humedad y vientos débiles, característicos de la zona de convergencia de la celda de Hadley y los alisios. Es más, el número de tormentas en la zona aumenta considerablemente por la convección local o térmica. En este proyecto se propuso un esquema de la circulación del aire en el que durante el período de desarrollo de las tormentas eléctricas, el flujo de los alisios es interrumpido en su paso sobre la Sabana de Bogotá, para dar paso al ascenso de masas cálidas y húmedas, provenientes del valle del Magdalena.14 Desde no hace más de 40 años, la empresa pública de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB-ESP) ha ido adelantado una serie de estudios de planeación y diseño del sistema de drenaje urbano, dentro de los cuales fue necesario realizar análisis hidrológicos para establecer las características de las tormentas en la Sabana de Bogotá. Tabla 5.- Estudios cronológicamente organizados sobre análisis hidrológico en la Sabana de Bogotá. Década 70´s. El primer estudio fue realizado por el consorcio Camp, Dresser y McKee, estudio contratado por la empresa (EAAB-ESP) cuyo objetivo consistía en determinar las crecientes del río Bogotá y sus principales afluentes (río Tunjuelo, Salitre y Fucha). Para ello la empresa contratista empleo series anuales de intensidades máximas de 20 estaciones pluviográficas, y calcularon las intensidades de lluvia correspondientes a una duración de 15 minutos y 10 años de período de retorno. Como producto del análisis de los eventos, se tiene la primera zonificación pluviográfica de la Sabana Bogotá, y una representación espacial de los valores más altos registrados en las estaciones cercanas a los cerros orientales de la ciudad. Finalmente, se logra dividir la Sabana de Bogotá en 4 zonas según los rangos de precipitación: La Caro (sentido Norte), El Muña (sentido Norte-Sur), los Cerros Orientales (sentido Este – Oeste), y la franja imaginaria entre (La Caro- Funza – Alicachín).. Década 80´s 14. Montoya, G. y Eslava J., 2000. “Análisis de las condiciones que favorecen el desarrollo de la actividad convectiva y de las tormentas eléctricas en la Sabana de Bogotá”. pp 23-30.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 26.

(27) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Una aproximación estocástica para modelar y caracterizar los episodios torrenciales en el espacio y el tiempo – Caso de estudio Sabana de Bogotá. MIC-201210-04. Se inició un segundo estudio adelantado por el Consorcio Hidroestudios - Black and Veatch Intl, 1985. El objetivo de este estudio consistía en establecer los caudales de diseño de los canales de aguas lluvias del Plan Maestro de Alcantarillado de Bogotá. Así, se determinaron la magnitud y ubicación de las tormentas de diseño y se actualizaron tanto la zonificación pluviométrica de Bogotá, como las curvas de Intensidad, Duración y Frecuencia (I-D-F) correspondientes a cada zona. La zonificación se obtuvo a partir de inspección visual de planos de isolíneas de intensidad de precipitación a escala 1:100,000, con períodos de retorno de 10 años y duración entre 15 y 120 minutos, (IRH, 1995). La información meteorológica se obtuvo de 41 estaciones pluviográficas, para un periodo de registro comprendido entre 1961 y 1980.. Año 1993. La Empresa de Acueducto y Alcantarillado de la ciudad de Bogotá (EAAB-ESP) contrató el estudio para el análisis y caracterización de tormentas en la Sabana de Bogotá, adelantado por el consorcio “Ingeniería y Recursos Hídricos Ltda.” El objeto de este proyecto fue actualizar los estudios realizados entre los años 73 y 80 por las compañías internacionales. Adicionalmente, se implementaron nuevas tecnologías para el manejo y análisis de la información. Para este estudio, se emplearon 62 estaciones: IDEAM (14), EAAB-ESP (35) y CAR (13). 32 de las cuales había información pluviográfica disponible con más de 20 años de registro y 26 con registros inferiores a 10 años. El resultado final de este estudio quedó consolidado en el sistema de información y análisis de tormentas “SISTORM”, en el cual se tiene zonificada la ciudad de Bogotá en 7 zonas.15. 2004. La Empresa de Acueducto y Alcantarillado de la ciudad de Bogotá (EAAB-ESP) contrató a la firma colombiana INGETEC S.A., para la revisión de las curvas I-DF y el análisis espacial de las tormentas en la Sabana de Bogotá. Se incorporó información pluviométrica hasta diciembre de 2002, se seleccionaron y evaluaron las principales tormentas registradas en todas las estaciones del área de estudio durante el período 1995-2004. De la misma manera, se actualizó la base de datos de tormentas. Se emplearon 68 estaciones correspondientes de la red hidrometeorológica de Bogotá: (EAAB-ESP), (IDEAM) y (CAR).. 15. IRH - Ingeniería y Recursos Hídricos Ltda., Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB)., 1995. “Estudio para el Análisis y Caracterización de Tormentas en la Sabana de Bogotá”. V.I.. Rubén Darío Córdoba Álvarez. Informe Proyecto de Grado de Magister en Ingeniería Civil. 27.