Medición y caracterización de la turbulencia atmosférica en Bogotá y su influencia en la dispersión de contaminantes (2016)
Con el propósito de caracterizar los componentes advectivos y turbulentos de vientos sobre Bogotá y evaluar el desempeño de un anemómetro sónico (Windmaster Pro 3D, Gill Instruments) como componente de un sistema de covarianza de remolinos, se realizaron mediciones anemométricas a 10 Hz y 7.8 m de altura, en el Parque Simón Bolivar, ubicado el centro geométrico de Bogotá (4.66N, 74.07W), en el periodo agosto – noviembre de 2014. Se intercomparó las mediciones en los componentes horizontales obtenidas con el anemómetro sónico con las respectivas mediciones realizadas con un anemómetro de copa estándar ubicado a 10 m de altura. Se determinaron los componentes advectivos y turbulentos en cada dirección vectorial de viento empleando la descomposición de Reynolds y un tiempo de promediación de 1 hora; se caracterizó la meteorología durante el periodo de estudio con los sensores del equipo de covarianza de remolinos. Se estimaron las desviaciones estándar (σ) para cada componente turbulento, como indicador de turbulencia, y cuyos valores se encontraron entre 0.12 m s-1 y 2.23 m s-1 para los componentes horizontales y valores entre 0.03 m s-1 a 0.96 m s-1 para el componente vertical, cuyos picos se encontraron al mediodía. Se ajustó la velocidad de fricción con la velocidad de viento a través del coeficiente de arrastre CD = 2.26x10-2. Se estimó la energía cinética turbulenta (TKE) y la intensidad turbulenta como indicadores energéticos, así como las funciones de autocorrelación para cada componente, con los cuales se determinó una longitud de escala integral (Li) de 184 m y un tiempo de escala integral (Ti) de 3 minutos para los componentes horizontales y Li = 25 m y Ti = 30 s para el componente vertical en la zona de producción. En la zona inercial, longitud de escala de Taylor (λs) fue de 25 m y el tiempo de escala de Taylor (τs) fue de 30 s para los componentes horizontales, y λs = 10 m y τs = 10 s para el componente vertical. Se ajustaron espectros escalares de energía para toda la campaña de medición, los cuales siguieron la ley de potencias de -5/3 para todos los componentes en el rango inercial, la ley de potencias -1.1 para los componentes horizontales y -1/3 para el componente vertical en el rango de producción. Se ajustaron espectros escalares de energía por condición meteorológica y por hora del día, y se observó el cambio en la ley de potencias en la zona de producción entre -2 y -0.8 para los componentes horizontales y entre -0.7 a 0.1 en el componente vertical. Se propuso una metodología para predecir σ y TKE, en función de la estimación de la energía turbulenta mecánica, energía turbulenta convectiva y energía por difusión térmica, así como la metodología para la predicción de espectros escalares de energía en la zona de producción e inercial. A partir de la determinación de espectros escalares de energía, se determinó el comportamiento de la altura de capa de mezcla (hb) durante el periodo de estudio y se compararon los valores con resultados obtenidos al aplicar el método Holzworth, y se estableció que el máximo valor de hb para Bogotá fue de 2200 m en días con alta radiación solar, mientras que se encontró un valor de 1400 m en días nublados; por otro lado, se encontraron los menores valores de hb entre 400 m y 600 m en las horas previas a la salida del sol. Se estimaron los coeficientes de dispersión gaussianos a partir de la información medida, y se compararon con los obtenidos por medio de métodos usuales en el uso de la modelación gaussiana, y se determinó que dichos coeficientes usualmente sobreestiman la turbulencia. Se determinaron las desviaciones estándar de los parámetros turbulentos empleados por el modelo STILT, y se compararon con desviaciones estándar estimadas para el periodo de simulación y se encontró que el modelo empleado subestimó la turbulencia. La discrepancia entre los modelos de dispersión y los parámetros turbulentos medidos puede deberse por la imprecisión de la modelación meteorológica regional a fenómenos de viento locales. A partir del comportamiento de la turbulencia, tanto en modelos de calidad de aire gaussianos y lagrangianos, la relación entre la magnitud de la turbulencia, los distintos términos de energía y las variables meteorológicas, se analizó cualitativamente la dispersión de contaminantes sobre la ciudad de Bogotá, donde se determinó que las zonas centro y sur de la ciudad son las que presentan mayor turbulencia, mientras que las zonas norte y oriental tienen una turbulencia menor, basado principalmente en la rugosidad de la ciudad y en las velocidades de viento. Dado que el sur de la ciudad concentra la mayoría de las fuentes de emisión en la ciudad, una atmósfera más turbulenta minimiza las concentraciones en el aire, pero las expande en un área mayor por toda la ciudad, principalmente en la zona centro-occidente.