Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales automáticas a partir de la estimación de parámetros estadísticos

Abstract

La información meteorológica resulta de gran utilidad en distintas disciplinas como la agronomía y la hidrología, entre otras. La observación de variables y fenómenos meteorológicos se lleva a cabo en Estaciones Meteorológicas Convencionales (EMC) asistidas por un observador capacitado. En los últimos años, el uso de Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA) ha experimentado un incremento significativo.
La Organización Mundial Meteorológica las define como "las estaciones en las cuales las observaciones son realizadas y transmitidas automáticamente". El objetivo de este trabajo fue comparar la calidad de los datos provenientes de ambas estaciones a partir de la estimación de distintos parámetros estadísticos.
El análisis comprendió los datos de temperatura del aire y precipitación registrados durante el año 2007 por tres estaciones meteorológicas (una convencional y dos automáticas) a escala diaria y mensual. Los estimadores de parámetros estadísticos resultaron similares entre las estaciones, especialmente los calculados a partir de los datos de temperatura. Los valores acumulados anuales y extremos de precipitación fueron los que mostraron mayores diferencias. Se destaca la importancia del intervalo de medición de precipitación utilizado en cada tipo de estación y el entorno en el que se encuentran las mismas. Se propone como un objetivo a futuro, extender el periodo de análisis para evaluar la generalidad y la significancia de los resultados encontrados.

Full text

Abril 2011, Argentina 75
Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales y automáticas a partir de...
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
Comparación entre observaciones meteo-
rológicas obtenidas de estaciones conven-
cionales y automáticas a partir de la esti-
mación de parámetros estadísticos
1 Inst. Clima y Agua. CIRN INTA Castelar, Las Cabañas y Los Reseros s/n (1712), Castelar, Buenos Aires, Argentina. Correo: ngattinoni@cnia.inta.gov.ar
2 Dto. de Métodos Cuantitativos y Sistemas de Información, FAUBA.
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La información meteorológica resulta de gran utilidad en distintas disciplinas como la agronomía y la
hidrología, entre otras. La observación de variables y fenómenos meteorológicos se lleva a cabo en
Estaciones Meteorológicas Convencionales (EMC) asistidas por un observador capacitado. En los últimos
años, el uso de Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA) ha experimentado un incremento significa-
tivo. La Organización Mundial Meteorológica las define como "las estaciones en las cuales las observacio-
nes son realizadas y transmitidas automáticamente". El objetivo de este trabajo fue comparar la calidad de
los datos provenientes de ambas estaciones a partir de la estimación de distintos parámetros estadísticos.
El análisis comprendió los datos de temperatura del aire y precipitación registrados durante el año 2007
por tres estaciones meteorológicas (una convencional y dos automáticas) a escala diaria y mensual. Los
estimadores de parámetros estadísticos resultaron similares entre las estaciones, especialmente los cal-
culados a partir de los datos de temperatura. Los valores acumulados anuales y extremos de precipitación
fueron los que mostraron mayores diferencias. Se destaca la importancia del intervalo de medición de pre-
cipitación utilizado en cada tipo de estación y el entorno en el que se encuentran las mismas. Se propone
como un objetivo a futuro, extender el periodo de análisis para evaluar la generalidad y la significancia de
los resultados encontrados.
"+6+,<+= -6+@/: Estaciones Convencionales, Estaciones Automáticas, Comparación, Temperatura,
Precipitación.
ABSTRACT
Meteorological information is useful in various disciplines such as agronomy or hydrology among others.
The observation of meteorological variables and phenomena is carried in conventional meteorological sta-
tions assisted by a trained observer. In recent years, the use of automatic meteorological stations has expe-
rienced a significant increase. The World Meteorological Organization defines as "the stations at which
$/-3,3.9./=/:>3/7,</./-/:>+.9./.3-3/7,</./"?,63-+.998638/.//8/<9
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76 ARTÍCULOS
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
 &$!'N
La información meteorológica resulta de gran utilidad
para el análisis del estado del tiempo presente, prepara-
ción de pronósticos y alertas meteorológicas; estudios
agroclimatológicos; preparación de operaciones depen-
dientes del tiempo (e.g. trabajos en construcciones, aeró-
dromos); aplicaciones en temáticas asociadas a la hidro-
logía o la agronomía (Magrin et.al. 1991, Rebella
et.al.1984, Rebella et.al. 1999), etc.
Desde la fundación de la Oficina Meteorológica
Argentina en el año 1872 hasta la actualidad, las obser-
vaciones de variables y fenómenos atmosféricos que
caracterizan el estado del tiempo (temperatura, precipita-
ción, nubosidad, tormentas, nieblas, etc.) se han llevado
a cabo en estaciones meteorológicas convencionales
(EMC). Las mismas se encuentran asistidas por personal
capacitado (observador meteorológico) quien realiza las
mediciones de: temperatura del aire, dirección y veloci-
dad del viento, presión, precipitación, humedad del aire y
radiación, etc. El observador cumple varias funciones:
realización de observaciones meteorológicas; manteni-
miento de los instrumentos y del sitio de observación de
forma tal que resulten en buen orden, y cambio de fajas
de los distintos instrumentos, entre otras (OMM, 2008).
De acuerdo a los objetivos y fines para los que fue
implantada una estación meteorológica, existen diversos
tipos de observaciones. Se pueden destacar aquellas que
se efectúan para estudios climatológicos y para el análisis
de la evolución meteorológica (sinópticas). Es importante
que las observaciones sean sincrónicas y continuadas
durante un lapso importante de tiempo de manera que
puedan utilizarse en cualquier estudio o investigación.
La Organización Mundial Meteorológica (OMM) ha esta-
blecido horas fijas en las cuales las estaciones meteoroló-
gicas climáticas deben realizar las observaciones. Estas
son: 12:00, 18:00 y 24:00 UTC (tiempo universal coordi-
nado) y se caracterizan por ser obligatorias para de esta
forma mantener la consistencia y la calidad de los datos
que se incorporan a las bases históricas.
En los últimos años se aprecia un incremento en el uso
de Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA), espe-
cialmente en el ámbito agrícola e hidrológico, donde
algunas de las aplicaciones específicas son sistemas de
alertas de heladas y de plagas; alerta temprana de creci-
da en distintos ríos, etc (Fernández et.al. 1987, Elinger
1990). La OMM (1992) las define como "las estaciones
en las cuales las observaciones son realizadas y transmi-
tidas automáticamente". A pesar de su automatización,
se requiere que las EMA sean asistidas por personal
para poder detectar, por ejemplo, fallas de comunicación,
de instrumentación y para poder actuar de forma ágil de
manera tal que no se produzcan pérdidas de registros
extensos. Este tipo de estación está formada por instru-
mentos meteorológicos y por una unidad central de
adquisición de datos, la cual permite realizar mediciones
durante las 24 horas. Las características que debe cum-
plir el sitio en el cual se emplazarán las EMA son seme-
jantes a las que se aplican para la EMC, OMM (1993).
Según la OMM (2008), las EMA pueden ser utilizadas
para incrementar el número de observaciones meteoroló-
gicas, aumentar la densidad de una red de estaciones ya
existente para proveer datos ya sea desde nuevos sitios,
como de lugares de difícil acceso; suplementar, en el
caso de estaciones asistidas, los datos fuera de las horas
de trabajo normales; mejorar la fiabilidad de las medicio-
nes utilizando sofisticada y moderna tecnología y medi-
ciones digitales; asegurar la homogeneidad de la red de
estaciones, y satisfacer nuevas necesidades y requeri-
mientos observacionales y reportes con alta frecuencia y
continuidad (las 24 hs del día los 365 días del año).
Para establecer el uso de una EMA como alternativa
equivalente a una EC, es necesario realizar previamente
un estudio comparativo basado en una serie histórica de
observaciones meteorológicas. La OMM (1989) propone
como intervalo mínimo de tres años en el cual funcionen
los dos sistemas en paralelo. La sustitución de los instru-
mentos del tipo manual por los automáticos debería efec-
tuarse una vez que se haya realizado una evaluación
simultánea de ambas series de datos; para que los nue-
vos valores registrados se acoplen a las series históricas.
En función de lo antes expuesto y en virtud del crecien-
te incremento en el uso de EMA, se propuso como obje-
tivo de este trabajo comparar la calidad de la información
obtenida en forma simultánea por EMC y EMA, a través
observations are made and transmitted automatically." The aim of this study was to compare the quality of
data gathered from both stations from the estimation of various statistical parameters. The analysis inclu-
ded data of air temperature and precipitation throughout the year 2007 by three weather stations simulta-
neously (one conventional and two automatic) at daily and monthly scales. The different estimators were
similar between the stations. The annual cumulative values of precipitation and extremes were those who
showed greater differences. Is proposed as a future goal, extending the period of analysis to assess the
generality and significance of the results.
Key words: Conventional Stations, Automatic Stations, Comparison, Temperature, Precipitation.
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de la estimación de distintos parámetros de posición, dis-
persión de datos y confiabilidad.
&$%*D&!!%
+>9=
Para la realización de este trabajo se contó con series
de datos de una EMC (Banco de datos agrometeorológi-
cos del Instituto de Clima y Agua) y de dos EMA, debajo
descriptas, que durante el año 2007 funcionaron simultá-
neamente en el Instituto de Clima y Agua del INTA
Castelar. Se seleccionaron para este estudio aquellas
variables de mayor demanda en las aplicaciones agro-
meteorológicas tales como la temperatura del aire y la
precipitación. Se trabajó con valores medios, máximos y
mínimos de temperatura y acumulados de precipitación
mayores a 0 mm, en dos escalas temporales: diaria y
mensual. Se consideraron sólo los datos medidos duran-
te todo el año 2007 dado que en este periodo se solapa-
ron las mediciones de las tres estaciones. Se buscaron
datos erróneos y se contabilizó la cantidad de datos fal-
tantes que no superaron el 10% del total (Buishand,
1982). Especialmente, los datos ausentes de las estacio-
nes automáticas se observaron durante los meses de
diciembre y enero y esto podría asociarse a la falta de
mantenimiento durante esa temporada.
+<+->/<G=>3-+=./6+=/=>+-398/=7/>/9<96I13-+=?>363C+.+=
En el Observatorio de Castelar del INTA se realizan
mediciones en tres horarios: 12:00, 18:00 y 24:00 horas.
Se obtienen datos diarios y horarios de distintas varia-
bles, éstos últimos a partir de instrumentos registradores
como Termohigrógrafo y Pluviógrafo. Los datos meteoro-
lógicos seleccionados para este estudio fueron: tempera-
tura del aire a 150 cm. y precipitación (precisión de la
medición de 0.1 mm). En este tipo de estación la precipi-
tación diaria es obtenida a partir de la acumulación de
agua caída en el pluviómetro desde las 9 hs de un día y
las 9 hs del día siguiente asignando el valor registrado al
primer día, a este lapso de tiempo se lo denomina: día
pluviométrico. La información de la precipitación horaria
se obtiene a partir de la faja del pluviógrafo permitiendo
obtener el valor acumulado durante el periodo de 0-24
hs. Cabe destacar que en las EMC la principal medida de
precipitación se realiza durante el día pluviométrico y
esta es una característica que hace la diferencia con las
demás estaciones, ya que las EMA efectúan los registros
de precipitación diaria desde las 0 hs hasta las 24 hs.
Esto último se relaciona con los intervalos de muestreo y
almacenaje programados en cada EMA, permitiendo en
algunos casos poder obtener el valor de precipitación
acumulada durante el día pluviométrico.
La EMA marca Campbell fue puesta en funcionamien-
to en noviembre del año 2005 en un predio próximo al
Instituto de Clima y Agua y en las inmediaciones del
Observatorio, a través de un proyecto de investigación
conjunta llevado a cabo por investigadores del INTA y de
la FAUBA. Las variables son registradas cada segundo y
almacenadas en dos intervalos de tiempo: 15 minutos y
24 hs. Presenta el valor promedio de la temperatura para
ambos intervalos y en cuanto a la precipitación se alma-
cena sólo el valor acumulado entre las 0 hs y las 24 hs
del día (precisión de la medición de 0.254 mm).
La EMA marca Davis funciona en el Instituto de Clima y
Agua del INTA Castelar desde noviembre de 2006. Las
variables son registradas cada segundo y presentadas en
un intervalo de muestreo de 10 minutos, almacenándose
los valores promedios de temperatura y el valor acumulado
de la precipitación (precisión de la medición de 0.2 mm).
Dado que la lluvia es medida en distintos lapsos de
tiempo, se tomó como criterio considerar sólo la lluvia
acumulada durante el periodo de 0 a 24 hs, dado que
este valor era presentado por las tres estaciones.
8E63=3=</+63C+.9=
Se realizó un análisis descriptivo de las variables de
cada una de las estaciones a través de gráficos y de la
estimación de distintos parámetros de posición, disper-
sión y asociación.
Se incluyó también el cálculo del Coeficiente de
Inconsistencia, definido por Colotti et.al (2003), quienes
encontraron que este índice puede ser adecuado para eva-
luar la calidad de las mediciones simultáneas (automáticas
y convencionales) de distintas variables meteorológicas.
El Coeficiente de Inconsistencia se expresa mediante
la siguiente fórmula:
donde “V” representa el operador estadístico-matemá-
tico de la varianza; X, el valor de la variable a partir de la
medición automática y X* el valor de la variable a partir
de la medición convencional.
Este coeficiente varía entre 0 (muestras linealmente
dependientes o perfectamente consistentes) y 1 (mues-
tras totalmente independientes), suponiendo que no exis-
te correlación lineal entre los dos conjuntos de medicio-
nes. Los autores extienden el concepto de inconsistencia
incorporando el de consistencia entre los datos y para
ello definen el Coeficiente de Consistencia como:
A tal efecto se realizaron comparaciones para cada
mes del año de los registros provenientes de las EMA y
de la EMC. En el caso de la precipitación, se considera-
ron aquellos días en los cuales ambas estaciones regis-
traron valores mayores a 0 mm.
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78 ARTÍCULOS
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8E63=3=./6+==/<3/=./:</-3:3>+-3I8
En cuanto a la precipitación diaria, la mayor diferencia
se apreció en la cantidad de días registrados por la EMA
Davis (figura 1) entre los meses de abril y julio en los cua-
les la estación registró valores iguales a 0.2 mm y en
cuyo caso las estaciones restantes presentaron 0 mm.
Tal discrepancia se la podría atribuir al vuelco del balan-
cín del pluviómetro luego de haber acumulado agua de
rocío y/o a la precisión del instrumento.
En los valores diarios de precipitación se observó una
diferencia máxima entre la EMC y la estación Campbell
de 11.39 mm (5/10/2007) y de 17.3 mm (17/3/2007)
entre la EMC y Davis. Mientras que en lo que se refiere
al valor máximo diario registrado durante el año 2007,
las estaciones automáticas coincidieron en el día de
ocurrencia del mismo, 9/10/2007, siendo los valores
49.02 mm en la EMA Campbell y 47.2 mm en la EMA
Davis. El valor medido de precipitación en la EMC fue
de 47.4 mm.
En el figura 2 se observan los datos diarios de precipi-
tación. En general, los datos obtenidos en la estación
Davis resultaron inferiores a los registrados en las esta-
ciones restantes, a excepción de los casos nombrados
en el primer párrafo. Esta observación se puede apreciar
con detalle cuando se comparan las mediciones de
ambas EMA.
Los estimadores de parámetros estadísticos para la
variable en estudio (tabla 1), calculados para la EMA
Davis resultaron menores que las estaciones restantes.
El coeficiente de variación demostró una leve homoge-
neidad en los datos de las EMA comparado con el calcu-
lado para la EMC.
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
31?<+: Cantidad de días con precipitación registrada en las tres estaciones para cada mes del año 2007.
31?<+: Datos de precipitación diaria durante el año 2007.
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Los valores mínimos de las series se corresponden
con la precisión de medición definido en cada estación a
partir del instrumental utilizado. El valor máximo medido
en la estación Davis se encontró en 2.8 mm por debajo
de la medición máxima registrada en la estación conven-
cional (tabla 1).
Las correlaciones entre las series diarias de precipita-
ción resultaron significativas al nivel del 5% (figura 3). El
valor del coeficiente de correlación resultó levemente infe-
rior para la correlación entre la estación automática Davis
y la estación Convencional, encontrándose mayor disper-
sión para valores de precipitación mayores a 20 mm. Entre
la estación marca Campbell y la convencional la mayor
dispersión se observó para valores mayores a 30 mm.
El total anual de precipitación registrada por la EMC
fue de 810.1 mm, mientras que las estaciones automáti-
Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales y automáticas a partir de...
&+,6+: Estimadores estadísticos de las series de precipitación diaria.
31?<+: Correlaciones entre datos diarios de precipitación registrados por la estación convencional y las estaciones automáticas.
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cas Campbell y Davis acumularon 810.3 mm y 741.0
mm, respectivamente. Estos valores reflejaron la tenden-
cia, observada anteriormente, de la estación Davis en
registrar datos inferiores a los registrados en las restan-
tes estaciones.
En cuanto a la precipitación mensual (figura 4) se
observa una distribución similar entre las tres estaciones.
La ocurrencia de los valores máximos y mínimos se apre-
cia en meses coincidentes que concuerda con la distribu-
ción media anual de precipitación en la zona. A pesar de
ellos, los valores mensuales de la estación Davis resulta-
ron inferiores y las mayores diferencias con la estación
convencional se encontraron durante los meses de
febrero, marzo y abril. La mayor diferencia observada
entre los valores registrados por la estación Campbell y
la convencional fue en el mes de febrero.
En la tabla 2 se muestran los estimadores de los pará-
metros estadísticos de la precipitación mensual. En
cuanto a los extremos, la estación Campbell presentó
valores cercanos a los medidos por la estación conven-
cional. No fue el caso de la estación Davis la cual regis-
tró valores inferiores a las anteriores. El coeficiente de
variación, al igual que en el caso de los datos diarios,
reflejó una leve homogeneidad en los datos mensuales
de las estaciones automáticas.
Finalmente, se presentan los Coeficientes de
Inconsistencia y de Consistencia que resultaron de la
comparación de la lluvia diaria entre las estaciones auto-
máticas y la estación convencional (tabla 3). Se observa
que los valores de los Coeficientes de Consistencia fue-
ron menores cuando se comparó la estación convencio-
nal con la Davis, salvo para los meses de agosto y octu-
bre. Para la estación Campbell, los valores de dicho coe-
ficiente oscilaron entre 80,76% en el mes de agosto y
99,54% en mayo, con lo cual, este coeficiente permite
pensar que existe una consistencia medianamente alta
entre las mediciones registradas simultáneamente por
ambos equipos, en especial entre la estación Campbell y
la convencional. Sería necesario contar con series de
datos más largas para comprobar este comportamiento
en todas las situaciones posibles.
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
31?<+: Precipitación Acumulada mensual durante el año 2007.
&+,6+: Estimadores estadísticos de las distribuciones mensuales de precipitación
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Abril 2011, Argentina 81
8E63=3=./6+==/<3/=./>/7:/<+>?<+
En segundo lugar, se analizaron las series datos
diarios y mensuales de temperatura media, máxima y
mínima de las tres estaciones involucradas en el
estudio.
El comportamiento de los valores diarios de las EMA
resultó consistente con el observado en la EC (figura
5). A pesar de ello, existieron algunos días en los cua-
les las diferencias entre los valores de las EMA y la EC
rondaron los 3,0°C.
En lo que respecta a la variación mensual, la estación
automática Campbell presentó una diferencia de 0,6°C
con respecto al valor registrado en la EC en el mes de
marzo. En los meses restantes las diferencias no exce-
dieron los 0,2°C. La mayor discrepancia entre el valor de
temperatura media registrada por la EMA Davis y la EC
se observó en el mes de junio (0,7°C).
Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales y automáticas a partir de...
&+,6+: Coeficientes de Inconsistencia y de Consistencia resultantes de la comparación de la estación convencional y la estación
Campbell (a) y la estación Davis (b)
31?<++
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82 ARTÍCULOS
Los valores de los estimadores de los parámetros esta-
dísticos de cada serie de temperatura diaria (tabla 4)
resultaron semejantes entre las tres estaciones.
Para complementar el estudio se analizaron los valores
del Coeficiente de Consistencia mensuales (no se mues-
tran), los mismos oscilaron entre 91,961% y 98,624% para
la estación Campbell y entre 87,414% y 98,674% para la
Davis, es decir, que existió una consistencia medianamen-
te alta entre las mediciones registradas simultáneamente
por los instrumentos convencionales y los automáticos.
En las figuras 6 y 7 se observa que las series de tem-
peratura máxima como la mínima presentan similar
comportamiento.
Esta característica se aprecia también en los estimado-
res de los parámetros estadísticos (tabla 5). En cuanto a
los datos de temperatura máxima mensual, la estación
Campbell presentó una diferencia máxima de 0,8°C con
respecto al valor registrado en la EC.
Al igual que con los datos de temperatura media se calcu-
laron los coeficientes de consistencia para cada mes, se
obtuvieron valores mayores al 95%. Sin embargo, se halla-
ron algunos valores menores a este porcentaje en algunos
meses especialmente en los Coeficientes de consistencia de
la temperatura mínima. Por ejemplo, entre los meses de
mayo y agosto en la estación Davis el Coeficiente calculado
presentó valores entre 82,587% y 93,481%.
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
31?<+: a) Temperatura media diaria y b) Temperatura media mensual para las estaciones. Est. Convencional (rombo), Est. Autom.
Campbell (cuadrado) y Est. Autom. Davis (estrella).
31?<+,
&+,6+: Parámetros estadísticos de las series diarias de temperatura media
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Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales y automáticas a partir de...
31?<+: Idem Figura 5 para la Temperatura Máxima.
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RIA / Vol. 37 N.º1
84 ARTÍCULOS
&+,6++
31?<+: Idem Figura 5 para la Temperatura Mínima.
GATTINONI, N1; BOCA, T1,2; REBELLA, C1y DI BELLA, C1
RIA Abril 2011- completa v4:Maquetación 1 17/03/2011 03:01 p.m. Página 84

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Comparación entre observaciones meteorológicas obtenidas de estaciones convencionales y automáticas a partir de...
&+,6+,
&+,6+: Parámetros estadísticos de las series de temperaturas máximas (a) y mínimas diarias (b).
! '%! %
En este trabajo se compararon las series de tempera-
tura y precipitación diaria y mensual registradas por la
estación meteorológica convencional y las estaciones
automáticas, provenientes de distintos fabricantes y
situadas en un predio del INTA Castelar.
A partir de los diferentes análisis estadísticos descripti-
vos se observaron similitudes en las series de precipita-
ción, especialmente entre la estación convencional y la
de marca Campbell. Los valores acumulados anuales y
extremos fueron los que mostraron mayores diferencias.
Las diferencias encontradas especialmente en los valo-
res de precipitación se las podría asociar al instrumental
utilizado y al entorno de cada estación. El análisis sólo se
realizó en una serie acotada de información dado que las
estaciones automáticas son de instalación reciente, con
lo cual se mostraron las tendencias para este caso, sien-
do necesario contar con series más amplias para validar
las diferencias y poder inferirlas al comportamiento gene-
ral de las estaciones en otras fechas y situaciones. Se
destaca la importancia del intervalo de medición utilizado
en cada tipo de estación y que dicho intervalo debe
tenerse en cuenta para cualquier comparación simultá-
nea de las series. De igual manera, es necesario prestar
atención a la precisión de cada instrumento dado que
dicho valor puede originar diferencias entre las medicio-
nes y remarcar la importancia del mantenimiento de las
estaciones automáticas que en algunos casos puede
producir interrupción de las variables medidas.
En cuanto a las series de temperatura diaria y mensual,
los valores del coeficiente de consistencia junto con el
análisis estadístico realizado permitieron obtener observa-
ciones similares en el comportamiento de dichas variables.
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