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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: -2< z/L <-1.5: viento de tierra
rango de estratificación: -1.5< z/L <-1: viento de tierra
rango de estratificación: -1< z/L <-0.5: 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: 1< z/L <1.5: viento de tierra
rango de estratificación: 1.5< z/L <2: viento de tierra
rango de estratificación: 2< z/L <2.5: viento de tierra
rango de estratificación: 2.5< z/L <3: viento de tierra
rango de estratificación: 3< z/L <4: viento de tierra
rango de estratificación: 4< z/L <5: viento de tierra
rango de estratificación: 5< z/L <6: 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*