Caracterización de la capa límite atmosférica en la ...€¦ · Caracterización de la capa límite atmosférica en la zona noroeste de la península de Yucatán Bernardo Figueroa

Caracterización de la capa límite

atmosférica en la zona noroeste de

la península de Yucatán

Bernardo Figueroa E., Paulo

Salles A. Jorge Zavala H. Elsa

M. Hernández R.

Participantes:

Centro de Ciencias de la Atmósfera (UNAM)

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Ubicación

Objetivos generales

• Caracterización del viento en la zona

• Estudio del Potencial Eólico Efectivo

• Comparación con simulación numérica de

mesoescala

• Características de la turbulencia (terreno

complejo)

El experimento

Torre de 50m

Instrumentada con

Anemómetros sónicos a

cinco diferentes alturas,

adquiriendo a 10Hz. Se

guardan los datos

crudos para éste y

futuros análisis.

El experimento

Equipos

Sitio Sisal, Yucatán

Estación YC01

Longitud 90° 02’ 48” Oeste

Latitud 21° 09’ 53” Norte

Altura sobre el nivel del mar 0

Alturas de medición H1 (3m), H2 (6m), H3 (12.5m) , H4 (25m), H5 (50m)

Equipo de medición Anemómetros sónicos Thies © 4.382: tres 2D y dos 3D

Globo aerostático (cautivo)

Anemómetro Skywatch ©, temperatura, humedad, presión atmosférica (0.25 Hz)

Estación meteorológica Humedad, temperatura, presión atmosférica, viento (1Hz)

Adquisición y transmisión de datos

Data Logger Blueberry © NDL 485, y dos transmisores Ethernet Xpress de MaxStream©

Fecha de inicio Agosto, 2010

Lugar Instalaciones de la UNAM en Sisal, Yucatán

Municipio Hunucmá

Estado Yucatán

Propietario de la Torre Propietario de la estación

IIE UNAM-IIE

Acceso directo via web:

- al data-logger y

- a los datos en una base de

datos OpenSource

para promover colaboraciones

y mantenimiento a distancia

El experimento

Instrumentos

Adq. Datos

Guardado de

datos

Organizar

Datos

Mantenimiento

Detección de errores

Rotación

Promediado temporal

Eliminar tendencia

flujo Estacionario?

Análisis y Publicación

Objetivos y

variables

Hardware

Software

Plan de

Mantenimiento

Análisis de datos

Modificaciones, reparaciones y eventualidades

1. Errores del data-logger: wget.

2. Instalación de antenas Yagui (mudanza cubículo).

3. Sensibilidad a descargas. Reset automático en receptor. (verano de

2010 temporizador programable).

4. Mantenimiento anual.

5. En enero 2011 se instala la una sonda de temperatura y humedad Thies.

6. Reemplazo de batería (día 220 del experimento, marzo, 2011). Se

instaló el día 228.

7. Modificación de instalación de los paneles solares

8. Reparación de radio transmisor (vacaciones verano de 2011. Se

perdieron los días del 353 al 369). PC de campo dentro del gabinete. Se

logró reparar el radio dos semanas después.

9. Después de la tormenta se daño definitivamente la estación

meteorológica OTT. No se puede reparar. Se tiene estación caseta de

vigilancia.

10. Solicitud de Instalación de supresor de picos en la torre y adquisición de

nuevos radios…

…

…

Perfiles de vientos, meteorología

varias fuentes.

0 5 10 15 203

4

5

6

7

8

9

10

hr local

U (

m/s

)

Este estudio (25m)

Saldaña et al. (20m)

Saldaña et al. (40m)

Este estudio (50m)

Soler et al. (10m)

Este estudio (12.5m)

Este estudio est 40m ley de potencia

Este estudio est 80m ley de potencia

Saldaña, R. y Miranda, U. Estudio del potencial eoloenergético en un sitio de

interés ubicado en la zona costera norte de la península de Yucatán, XVIII

Congreso Mexicano de Meteorología, Cancún, Quintana Roo, México, 2009.

2%

4%

6%

8%

TOTAL (A-3)

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

10 - 12

12 - 14

14 - 16

16 - 18

Resultados Rosa de vientos A-5 (50m, 3D)

Línea de Costa

5%

10%

15%

PRIMAVERA (A-3)

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

10 - 12

12 - 14

14 - 16

16 - 18

5%

10%

15%

VERANO (A-3)

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

10 - 12

12 - 14

5%

10%

15%

OTOÑO (A-3)

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

10 - 12

12 - 14

14 - 16

5%

10%

15%

INVIERNO (A-3)

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

10 - 12

12 - 14

14 - 16

Resultados rapidez de vientos 5 alturas

Histogramas de frecuencia

0 5 10 15 200

200

400

600

800

1000

1200

1400

rapidez de viento (m/s)

histogramas a 50m

viento de mar

viento de tierra

viento total

0 5 10 15 200

500

1000

1500

2000

2500

rapidez de viento (m/s)

histogramas a 12m

viento de mar

viento de tierra

viento total

Dos tendencias muy bien definidas: vientos de tierra y vientos de mar

metodología sencilla en zona costera.

POTENCIAL EÓLICO

POTENCIAL EÓLICO

• Sencillo, lineal en los parámetros. Fácil de programar, incluso en una hoja

de cálculo convencional.

• Bimodal para un año da resultados equivalentes a unimodal por tres años.

Tiene menor error cuadrático, ajusta mejor.

•Existe fórmula analítica para calcular densidad de potencia bimodal.

Comparaciones con modelo de

mesoescala WRF

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

U (m/s)

PD

F

WRF 10M

fitted curves

WRF 60m

exp 50m

exp 12.5m

• Prometedor, zonas costeras (sin orografía)

• Funciona bien a alturas superiores a 50m (aerogeneradores?)

• Se puede combinar con un método numérico más detallado que tome en cuenta

la orografía y accidentes del terreno por debajo de los 60m (WASP? LES?)

0ln

*)(

z

z

k

uzu

U = Velocidad del viento en la altura Z U* = Velocidad de fricción k = Constante de Von Karman z = Altura z0 = Rugosidad superficial L = Longitud de Monin-Obukhov

Para condiciones de no neutralidad:

0

ln*

)(

L

z

z

z

k

uzu

Perfil de Velocidad

Para condiciones de neutralidad:

4/122 )''''( * wvwuu

Donde se mide la velocidad de

fricción usando las fluctuaciones

de velocidad:

log z

v

Perfil de velocidades

neutra

estable

inestab

le

No Homogeneidad horizontal (capa límite interna)

• En general, no aplica similaridad de Monin-Obukhov

• Ventajas en cuanto a densidad de potencia

• Difícil encontrar parametrizaciones de la turbulencia

• Capa límite interna

• Rugosidad “local” y la rugosidad a la altura z

No Homogeneidad horizontal (capa límite interna)

Se dividen las direcciones de viento en sectores

e

No Homogeneidad horizontal: caso

cuasi-neutral

6 7 8 9 10 11 12 13 14 1510

0

101

sector 90a 190 grados n=16:mar z0=4.0934e-006

z3/L

3=-0.082551,fecha:13-10, hora:15

z3/L

3=-0.0060807,fecha:13-10, hora:16

z3/L

3=-0.012703,fecha:13-10, hora:16

z3/L

3=0.099154,fecha:13-10, hora:17

z3/L

3=-0.0048944,fecha:13-10, hora:18

z3/L

3=-0.039331,fecha:6-11, hora:7

Tierra: rugoso a suave

z0 del orden de 2cm

Mar: suave a rugoso

z0 del orden de 4 x10-6

Pocos datos. Resultados

similares a Echols y Wagner

(1972)

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 610

0

101

102

sector 190a 360 grados n=14:tierra z0=0.013335

z3/L

3=-0.18697,fecha:6-9, hora:2

z3/L

3=-0.11733,fecha:25-10, hora:21

z3/L

3=-0.11252,fecha:26-10, hora:14

z3/L

3=-0.19497,fecha:26-10, hora:20

z3/L

3=0.11497,fecha:16-11, hora:13

z3/L

3=-0.16734,fecha:31-12, hora:14

z3/L

3=-0.17734,fecha:31-12, hora:15

z3/L

3=-0.093074,fecha:31-12, hora:22

z3/L

3=0.18423,fecha:31-12, hora:22

z3/L

3=0.18702,fecha:1-1, hora:7

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

-15

-10

-5

0

5

10

z/L

(z

/L)

Paulson, 1970

ln(z0)+(z/L)

poly fit

ln(z0)

z/Leff

No Homogeneidad horizontal

Se puede medir el

término de estratificación

con un anemómetro

sónico:

z/Leff

0 50 100 150 200 250 300 3500

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

dirección (grados)

z0 (

m)

20 40 60 80 100 120 140 160 180

10-4

10-3

10-2

z=50m

z=12.5m

Rugosidad por sectores

•Se aprovechan los datos no-

neutrales

•Lineal en los parámetros

•Resultados similares a

métodos no lineales de

búsqueda (Sozzi et al. 1998)

•Se tiene un draft para

publicación de esta parte de

los resultados

•Corresponde a un fetch que

es función de la estratificación

y la altura

•Un orden de magnitud más

alta que la rugosidad “local” de

la torre ¿?cálculo de fetch y

análisis más detallado del

terreno

Energía Cinética e Intensidad Turbulenta

a diferentes alturas (tierra y mar)

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ix

z(m

)

Primavera

verano

otoño

invierno

Total

Velocidad de fricción

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

u*12m

u* 5

0m

velocidad de fricción a diferentes alturas

experiments

u*50m

=u*12m

best fit

4/122 )''''( * wvwuu

0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ix

z(m

)

Primavera

verano

otoño

invierno

Total

0 2 4 6 8 10 12 14 160

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

U (m/s)

u * (m

/s)

mar

tierra

fitted curve

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

U (m/s)

u * (m

/s)

tierra

mar

Resultados: Turbulencia condiciones de estabilidad por hora y mes

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.40

1

2

3

4

5

6

7

8

1/L3

P(1

/L3)

all

Kelly & Gryning, 2010

Comparación con modelo de mesoescala

WRF (Altura capa límite)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

days

z (

m)

exp. globo

-92 -90 -88 -86 -84 -82

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Cuba

Golfo de México

• Medición con globo problemática

• Se tienen estimados basados en frecuencia, pero hay que mejorarlos

• Se requiere experimentación LIDAR

100

101

102

103

10-2

10-1

f/f0

nS

u(n

)/va

r(u

)

rango de estratificación: -5< z/L <5: viento de tierra

binned averaged spectrum

1f/(1+

2f5/3

)

Kaimal, 1972

Conclusiones

• Adquiriendo datos desde agosto 2010

• Facilidad de intercambio de información

• Datos crudos flexibilidad de Análisis

• Potencial Eólico

• Rugosidad superficial: se propuso un

método sencillo que usa todos los datos

• Altura de la CLI.

• Intensidad turbulenta y otros estadísticos

en terreno complejo

• Potencial eólico, climatología,

comparación con modelo numérico

Perspectivas

• Estudio numérico de IBL y TIBL

• Análisis en frecuencia disipación, ECT,

etc

• LIDAR y análisis en Frecuencia para

altura de capa de mezcla

• Curva de eficiencia real en campo de un

VAWT (colaboración con la UADY y la

Universidad Michoacana)

Análisis en frecuencia

100

101

102

103

10-2

10-1

f/f0

nS

u(n

)/va

r(u

)

rango de estratificación: -5< z/L <5: viento de tierra

binned averaged spectrum

1f/(1+

2f5/3

)

Kaimal, 1972

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

10-4

10-3

10-2

10-1

100

f

nS

u(n

)/u *2

rango de estratificación: -3< z/L <-2.5: viento de tierra

rango de estratificación: -2.5< z/L <-2: viento de tierra


rango de estratificación: -1.5< z/L <-1: viento de tierra


rango de estratificación: -0.5< z/L <-0.001: viento de tierra

rango de estratificación: 0< z/L <0.5: viento de tierra

rango de estratificación: 0.5< z/L <1: viento de tierra





rango de estratificación: 3< z/L <4: viento de tierra



f-2/3

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

x

y

rango de estratificación: -10< z/L <10: viento de tierra y mar

Similaridad?

Disipación ECT

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

z/L

m

m4

inestable

estableProducción

ECT

PRODUCTOS

• Formación de recursos Humanos:

• 1 estudiante de maestría

• 1 estudiante de doctorado (ingreso en enero 2011;

modelación de la capa límite interna)

• Presentaciones en Congresos:

• Congreso Nacional de Oceanografía (11-2010)

• Reunión Anual de la Unión Geofísica Mexicana (11-

2010)

• 3rd Brazilian Conference on Boiling, Condensation

and Multiphase flow, Curitiba, May, 2012

• Artículo sometido en Renewable Energy y otro se

someterá a Boundary Layer Meteorology

• Colaboración con el CCA-UNAM

• Datos de modelos atmosféricos (WRF) para

determinación de capa de mezcla, climatología,

experimento LIDAR

¡GRACIAS!

Modelado de la capa límite

atmosférica

• Análisis dimensional

• Condiciones de estabilidad

atmosférica

• Balances de TKE (Energía Cinética

Turbulenta)

• Análisis en Frecuencia

• Modelado numérico

Velocidad de fricción

x

y

fitted curve

Weibull

General model Gauss2:

fitresult1(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)2) +

a2*exp(-((x-b2)/c2)2)

Coefficients (with 95% confidence

bounds):

a1 = 4.327 (0.5652, 8.088)

b1 = 0.217 (0.1897, 0.2442)

c1 = 0.09399 (0.07626, 0.1117)

a2 = 1.312 (-0.9226, 3.547)

b2 = 0.3294 (0.1088, 0.5499)

c2 = 0.1222 (0.0002931, 0.2441)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

200

400

600

800

1000

1200

velocidad de fricción (m/s)

histogramas a 12.5m

viento de mar

viento de tierra

viento total

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

200

400

600

800

1000

velocidad de fricción (m/s)

histogramas a 50m

viento de mar

viento de tierra

viento total

z (m) p Lambda 2 Lambda 2 K1 k2 media

(m/s)

ssebimodal

X1

12.5 0.542 0.285

(0.285,

0.287)

0.381

(0.3775,

0.393)

2.586

(2.488,

2.683)

1.983

(1.831,

2.135)

0.293 0.194

50 0.569 0.253

(0.252,

0.255

0.394

(0.384,

0.425)

1.928

(1.870,

1.987)

1.671

(1.474,

1.870)

0.265 0.4566

121k2k*u

Resultados Rosas de vientos a 5 alturas

Línea de Costa

•Velocidad (alta frecuencia,

perfil vertical)

•Temperatura virtual (alta

frecuencia, perfil vertical)

•Temperatura (baja frecuencia,

estación caseta)

•Humedad (baja frecuencia,

estación caseta)

•Radiación solar (baja

frecuencia, estación caseta)

Resultados

Simulación numérica de saltos de rugosidad (línea de costa

idealizada)

Se ha validado el código con teoría a

altos números de Reynolds

Relaciones de escala σw/w2*

usando PBLH

10-1

100

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

exp. z=50m

exp. z=13.4m

Se probaron distintas escalas para perfiles verticales de variables

turbulentas usando PBLH de WRF. Una de dos (o las dos): no hay

similaridad en perfiles verticales normalizados, ó los estimados de

PBLH de WRF no son fiables. Hay que verificar

experimentalmente.

Turbulencia: relaciones de escala σw/w2*

10-1

100

101

102

103

10-2

10-1

100

101

102

vientos de tierra

10-1

100

101

102

103

10-2

10-1

100

101

102

vientos de mar

-103

-102

-101

-100

-10-1

10-2

10-1

100

101

102

vientos de mar

-102

-100

-10-2

10-2

10-1

100

101

102

vientos de tierra

10-1

100

101

102

103

10-1

100

101

102

103

vientos de mar

-103

-102

-101

-100

-10-1

10-1

100

101

102

103

vientos de mar

10-1

100

101

102

103

10-1

100

101

102

103

vientos de tierra

-103

-102

-101

-100

-10-1

10-1

100

101

102

103

vientos de tierra

Relaciones de escala σw/u2*

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