Ponencia presentada en: I Congreso de la Asociación Española de Climatología “La climatología española en los albores del siglo XXI”, celebrado en Barcelona del 1 al 3 de diciembre de 1999.[ES]En este trabajo se muestra la conveniencia de utilizar productos meteorológicos operativos en los algoritmos de teledetección para hacer que estos sean a su vez operacionales al aplicarlos a largas series de datos sobre zonas extensas. Se ponen diferentes ejemplos en relación con la estimación del balance de radiación solar en superficie para la cuenca de Mediterráneo.[EN]In this work we show the advantages of including some operational meteorological products in the remote sensing algorithms to make them operational as well for the analysis of long data sets over large extended areas. Some examples are shown in relation to the estimation of the surface shortwave radiation balance over the Mediterranean basin.Este trabajo se enmarca específicamente dentro de los Proyectos RESMEDES y RESYSMED, y
también dentro del Proyecto Integración de Parámetros Climáticos y Medidas de Satélite para Estudios Regionales de la Cubierta Vegetal. Estudio del Impacto de la Degradación de los Cultivos Extensivos y de los Incendios Forestales del Programa Nacional de I+D sobre el CLIMA

Bodas Salcedo, A.

Fortea, Juan Carlos

Irurzun, Rodrigo

López Baeza, Ernesto

Río Ladrón de Guevara, Pablo del

Spanish

Bodas Salcedo, Alejandro

Agencia Estatal de Meteorología

289DESARROLLOS METODOLÓGICOS PARA EL ANÁLISISDE LARGAS SERIES DE DATOS SOBRE ZONASEXTENSAS. APLICACIÓN AL CÁLCULO DEL BALANCEDE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA CUENCA DELMEDITERRÁNEOErnesto LÓPEZ-BAEZA*,  Alejandro BODAS**Rodrigo IRURZUN*, Juan Carlos FORTEA* y Pablo DEL RIO****Unidad de Investigación de Teledetección. Fac. de Física. Universitat de València** Becario FPI. Conselleria de Cult., Educ. y Ciencia. Generalitat Valenciana***Instituto Nacional de Meteorologia (INM) (Madrid)RESUMENEn este trabajo se muestra la conveniencia de utilizar productos meteorológicos operativos en losalgoritmos de teledetección para hacer que estos sean a su vez operacionales al aplicarlos a largasseries de datos sobre zonas extensas. Se ponen diferentes ejemplos en relación con la estimacióndel balance de radiación solar en superficie para la cuenca de Mediterráneo.Palabras clave: Algoritmos de teledetección, Balance de radiación solar, Cuenca del Mediterráneo,Productos meteorológicos operativos.ABSTRACTIn this work we show the advantages of including some operational meteorological products in theremote sensing algorithms to make them operational as well for the analysis of long data sets overlarge extended areas. Some examples are shown in relation to the estimation of the surface shortwaveradiation balance over the Mediterranean basin.Key words: Mediterranean basin, Operational meteorological products, Remote sensing algoritms,Surface shortwave radiation balance.1. INTRODUCCIÓNDentro del marco del Proyecto RESMEDES (Remote Sensing of Mediterranean Desertification andEnvironmental Stability), pudimos extender nuestra metodología para la estimación del albedo dela superficie y del balance de radiación solar a toda la cuenca del Mediterráneo. La continuación deeste proyecto es RESYSMED (RESMEDES Synthesis of Change Detection Parameters Into aLand-Surface Change Indicator for Long-Term Desertification Studies), donde el énfasis se poneahora en la capacidad de analizar largas series de datos sobre dicha zona tan extensa.E. LÓPEZ-BAEZA,  A. BODAS, R. IRURZUN, J.C. FORTEA y P. DEL RIO290El flujo de radiación neta en superficie es una de las magnitudes físicas de interés en RESYSMED,como indicadora de cambios en sí misma, y por su relación con el proceso de aridificación o dedegradación desde una condición de cobertura desarrollada de vegetación. Es una de esas magni-tudes “avanzadas” cuya elaboración a partir de datos primarios requiere de una cierta modelización,ya que dicha magnitud integra los efectos de casi todas las magnitudes restantes (albedo, caracte-rísticas y propiedades del suelo y de la cobertura vegetal, temperatura, emisividad, humedad atmos-férica, contenido en humedad del suelo, etc). Además, como medida de la energía disponible, laradiación neta es un parámetro clave para la deducción de los demás flujos de energía.Actualmente, la radiación neta en superficie debe obtenerse a partir de los flujos hacia arriba y haciaabajo de onda corta y de onda larga en superficie, pero en un futuro ya muy próximo, con eladvenimiento de los nuevos sensores, se podrá obtener directamente a partir de los datos delinstrumento GERB (Geostationary Earth Radiation Budget), a bordo del satélite METEOSAT Se-gunda Generación (MSG), a partir de octubre del año 2000.Los flujos de radiación de onda corta incidente y reflejada que componen el balance de radiaciónsolar tienen, además, un interés particular (SUTTLES y OHRING, 1986). La radiación solar netarepresenta el flujo de radiación absorbido por la superficie, y nuestro interés actual es poder obte-nerla de forma operacional estudiando largas series de datos sobre zonas muy extendidas como esel caso de la cuenca del Mediterráneo.2. ANÁLISIS DE LA NUBOSIDADLas nubes influyen notablemente sobre la cantidad, distribución y evolución de los flujos de radia-ción en superficie. Así, el estudio de la evolución de la distribución de la cobertura nubosa paradiferentes tipos de nubes es de importancia fundamental en los estudios de balance de radiación yde energía en superficie.El primer parámetro que influye en la radiación solar neta en superficie es la cobertura nubosa. Unaspecto dificultoso en la estimación de los flujos de radiación es la conocida y fuerte variacióndiurna de los procesos nubosos, lo cual hace que las observaciones desde una órbita estacionariasean muy adecuadas e incluso necesarias gracias a la alta resolución temporal. Así, la tendenciadiurna de la nubosidad y de los tipos de nubes puede estimarse mediante evaluación de los datoshomogéneos de METEOSAT, el cual observa la escena cada media hora.Un método eficiente para realizar la clasificación de tipos de nubes en zonas extensas es mediante laaplicación de filtros altamente no lineales siguiendo técnicas de morfología matemática y realizandodilataciones y erosiones sucesivas directamente sobre el histograma bidimensional compuesto apartir de las imágenes visible (VIS) e infrarroja (IR) de METEOSAT. La Figura 1 muestra el procesode clasificación aplicado separadamente sobre mar y sobre tierra.Los productos meteorológicos operativos son una fuente de información muy conveniente quepueden utilizarse en diferentes fases de los algoritmos de teledetección. Nos referimos tanto a lasobservaciones sistemáticas de la red sinóptica de superficie como a los productos intermedios quepueden extraerse de los Modelos de Predicción Numérica (MPN). Ambas series de datos puedenutilizarse, bien como datos de entrada en el esquema de corrección atmosférica, o bien como medi-291DESARROLLOS METODOLÓGICOS PARA EL ANÁLISIS DE LARGAS SERIES DE DATOS SOBRE ZONAS EXTENSAS.APLICACIÓN AL CÁLCULO DEL BALANCE DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA CUENCA DEL MEDITERRÁNEOFigura 1. Proceso de clasificación morfológica de la nubosidadE. LÓPEZ-BAEZA,  A. BODAS, R. IRURZUN, J.C. FORTEA y P. DEL RIO2920306090120150-8 -6 -4Frecuencia-2 0 2 4 6 8Dife r e n c ia  (Su p e r fic ie - Sa t e li t e )das de referencia para la validación de productos de teledetección. En este trabajo se han empleadoobservaciones sistemáticas de nubosidad procedentes de la red sinóptica de superficie y datos decobertura nubosa obtenidos del Modelo HIRLAM/INM (High Resolution Limited Area Model delINM), para así validar los análisis de nubosidad obtenidos a partir de las imágenes VIS e IR deMETEOSAT. La comparación con observaciones de superficie es de difícil interpretación cuando elnúmero de casos es reducido, fundamentalmente debido a los puntos de vista tan diferentes de lasmedidas originales, del observador en superficie y del satélite. Así, las mayores diferencias que sedan para nubes bajas y algunas medias, podrían interpretarse probablemente como nieblas desde laobservación en superficie que incluso pueden haberse disipado durante el tiempo que media entrelos dos tipos de observaciones. La comparación con los análisis de cobertura nubosa del HIRLAM/INM es buena, incluso cuando aquélla se realiza sobre una región proporcionalmente pequeña de laimagen, correspondiente a la Península Ibérica. A título de ejemplo se muestra el histograma dediferencias entre observacionesde superficie y de satélite (Fig. 2).Figura 2. Comparación entre laestimación de la cobertura nubosa porlas estaciones de la red sinóptica delINM y por el análisis de los datosdel satélite METEOSAT. En lacomparación se incluyen todos lostipos de nubes observados en todoslos casos disponibles. Los resultadosse expresan como diferencias enoctas.3. CORRECCIÓN ATMOSFÉRICACon el resultado de la clasificación de nubes, la irradiancia global en superficie puede estimarseseparadamente para los pixels nubosos y para los pixels despejados. Para estos últimos, la irradianciadirecta en superficie puede obtenerse a partir de los códigos de transferencia radiativa. Como datosde entrada para estimar los efectos atmosféricos se necesitan medidas de los diferentes parámetrosmeteorológicos que representan la situación atmosférica de hecho. Así, la variabilidad espacial ytemporal del agua precipitable debe establecerse con suficiente precisión en la zona de estudio.También debe conocerse el espesor óptico de los aerosoles (o la visibilidad horizontal como unaaproximación), el cual da cuenta de la concentración, tipo (o tipos mezclados) y tamaño de losaerosoles presentes en la atmósfera. También es necesario conocer la concentración de ozono, lacual puede considerarse casi constante sobre una base estacional.293DESARROLLOS METODOLÓGICOS PARA EL ANÁLISIS DE LARGAS SERIES DE DATOS SOBRE ZONAS EXTENSAS.APLICACIÓN AL CÁLCULO DEL BALANCE DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA CUENCA DEL MEDITERRÁNEO3.1. Mapas de agua precipitableLos mapas de agua precipitable pueden utilizarse como datos de entrada en el esquema de lacorrección atmosférica. Por una parte, se han utilizado estos mapas que se han obtenido comoproductos intermedios del Modelo HIRLAM/INM, para corregir imágenes de la Península Ibérica, ytambién otros mapas de más baja resolución, los cuales se han obtenido a partir de los datos de losanálisis globales del ECMWF (European Center for Medium Weather Forescast), referidos a lacuenca del Mediterráneo y remuestreados a la escala de METEOSAT.La concentración del vapor de agua atmosférico puede calcularse a partir de los radiosondeosoperativos de los Centros Meteorológicos Nacionales a las 0:00 h y 12:00 h. Sería posible interpolarespacialmente estos datos para estimar la variación espacial del vapor de agua para ambos momen-tos de observación en el día.Un procedimiento operacional y fiable que puede actualizarse cada 6 horas es obtener la cantidad deagua precipitable integrada sobre una columna atmosférica donde los Modelos de Predicción Nu-mérica calculan la humedad específica. De esta forma hemos podido obtener buenos mapas de aguaprecipitable que se han podido utilizar como datos de entrada en el proceso de corrección atmosfé-ricaEn Junio de 1991, el modelo de predicción numérica operativo del Instituto Nacional de Meteorolo-gía era el LAM (Limited Area Model) de 0.91º de resolución en latitud. El modelo operativo actual esel ya menciondo HIRLAM/INM, de 0.5º de resolución en latitud. La necesidad de analizar datos deJunio de 1991 en el contexto del Proyecto RESMEDES (MELIÁ, LÓPEZ-BAEZA, et al., 1997) moti-vó, por parte del INM, la conveniencia de programar una ejecución retrospectiva original del HIRLAM/INM para el 23 de Junio de 1991, en lugar de buscar en los archivos de análisis del LAM. Así, serealizó una integración 00Z para dicha fecha, a partir de la cual se pueden obtener predicciones devapor de agua precipitable, cobertura nubosa y temperatura del techo de las nubes en los 31 nivelesverticales del HIRLAM/INM, para las 06Z, 12Z y 18Z, con una rejilla de 194 columnas (longitud) y100 filas (latitud, para barrer un área que se extiende desde -65.5 W a 30.0 E y desde 15.5 N a 65.0 N.La ejecución del modelo utilizó las observaciones necesarias y los análisis en 19 niveles en lavertical del ECMWF como condiciones de contorno. El campo previo fue la predicción H+6 de laejecución del HIRLAM/INM correspondiente a las 18Z del 22 de Junio de 1991, que también se tuvoque hacer retrospectivamente.La cantidad de vapor de agua precipitable integrada sobre toda la columna para cada una de las19400 celdillas se calcula a partir de los valores puntuales de humedad específica correspondientesa los 31 niveles híbridos del modelo, hasta los 200 hPa donde la humedad específica es prácticamen-te 0 en todas las celdillas. La comparación del vapor de agua precipitable así obtenido con el queresulta de la integración de los radiosondeos operacionales del INM en la Península Ibérica para las12:00 h es buena excepto en las estaciones donde los radiosondeos fueron deficientes o incomple-tos. Los valores que se obtienen sobre la península varían entre 1.2 y 2.6 g/cm2.Los análisis del ECMWF proporcionan datos globales de temperatura, humedad relativa, geopotencialy presión atmosférica en 14 niveles de la atmósfera con una resolución de 1º x 1º, para las 0:00 h, 6:00h, 12;00 h y 18:00 h. Puede, pues, también obtenerse el vapor de agua precipitable integrando paracada columna. En este trabajo se ha seleccionado una ventana sobre el Mediterráneo que se haE. LÓPEZ-BAEZA,  A. BODAS, R. IRURZUN, J.C. FORTEA y P. DEL RIO294remuestreado a la escala de METEOSAT-5.3.2. Espesor óptico de los aerosolesEl espesor óptico de los aerosoles puede obtenerse con precisión comparando la irradiancia globalmedida en superficie y la misma magnitud obtenida por simulación mediante el código de transferen-cia utilizado cuando se va modulando con diferentes valores que pueden caracterizar al tipo, distri-bución y tamaño de los aerosoles. Este procedimiento se ha ensayado con buenas medidas decampo y los resultados son aceptables con sensores de tan diferente resolución espacial como elMETEOSAT (FORTEA et al., 1997) y el LANDSAT-5 TM (ZAHONERO, 1998 y ZAHONERO et al.,1998). Sin embargo, el método no puede ser todavía operacional mientras no se consigan suficientemedidas precisas y calibradas de la irradiancia global en superficie distribuidas por la zona extensade estudio. Mientras tanto, una solución menos precisa pero bastante operativa puede ser utilizarmedidas alternativas de visibilidad, también procedentes de la red sinóptica.4. ESTIMACIÓN OPERACIONAL DEL FLUJO DE ONDA CORTA ABSORBIDO POR LA SU-PERFICIE EN LA CUENCA DEL MEDITERRÁNEOLI et al. (1993) propusieron una relación lineal entre el flujo reflejado en el techo de la atmósfera y elflujo absorbido por la superficie, incluyéndose de manera explícita la dependencia del ángulo solarcenital. Esta dependencia explícita proporciona una mejora respecto a otros métodos, ya que larelación obtenida es independiente del espesor óptico de las nubes y del albedo de la superficie. Deeste modo, se puede estimar el flujo solar neto en la superficie también bajo cielo nublado. Larelación propuesta, ya normalizada por la irradiancia incidente en el techo de la atmósfera, es:as −= )(µαdonde as es la fracción de la irradiancia incidente en el techo de la atmósfera (TOA) absorbida por lasuperficie, r el albedo planetario y µ el coseno del ángulo solar cenital. Tanto la ordenada en elorigen como la pendiente de esta relación están parametrizadas para diferentes tipos de nubes ycorregidas por el efecto del vapor de agua. Para aplicar el modelo será necesario por tanto disponerde las siguientes entradas: albedo en el techo de la atmósfera, clasificación de nubes y aguaprecipitable. El albedo planetario puede obtenerse directamente a partir de los datos del canal VIS deMETEOSAT y los otros dos componentes se han explicado anteriormente. En la Figura 3 presenta-mos como ejemplo el flujo de onda corta absorbido por la superficie en la cuenca del Mediterráneoentre las 6:00 y las 17:00 horas GMT del 11 de junio de 1996, obtenido integrando los resultadosproporcionados por el método descrito para cada imagen (slot) de METEOSAT.5. CONCLUSIONESEl método de LI et al. (1993) es altamente conveniente para estimar el flujo de radiación absorbidopor la superficie terrestre de forma operacional analizando largas series de datos sobre zonas muyextendidas, como puede ser la cuenca del Mediterráneo. Su parametrización es muy sencilla e295DESARROLLOS METODOLÓGICOS PARA EL ANÁLISIS DE LARGAS SERIES DE DATOS SOBRE ZONAS EXTENSAS.APLICACIÓN AL CÁLCULO DEL BALANCE DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA CUENCA DEL MEDITERRÁNEOimplica clasificar la nubosidad en diferentes tipos de nubes y conocer el contenido en agua precipitableen la atmósfera. Los métodos de morfología matemática son muy eficaces para realizar la clasifica-ción de nubes porque pueden actuar sobre toda la imagen, sin necesidad de seccionarla en zonaspequeñas. También hemos podido comprobar cómo los análisis y/o predicciones de los MPNspueden proporcionar mapas del agua precipitable existente (o al menos su valor realista) en laatmósfera en diferentes escalas espaciales, de acuerdo con la resolución requerida en el trabajo.       0                        15           30(MJ/m2)Figura 3. Flujo de onda corta absorbido por la superficie en la cuenca del Mediterráneo entre las 6:00 y las 17:00horas GMT del 11-06-96.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASFORTEA, J.C., VALIENTE, J.A. y LÓPEZ-BAEZA, E. (1997): “Surface albedo from METEOSAT-4data. Accurate atmospheric correction using ground data”. VII Congreso Nacional deTeledetección, Santiago de Compostela, 24-28 Junio 1997.LI, Z., LEIGHTON, H.G., MASUDA, K. y TAKASHIMA, T. (1993): “Estimation of SW Flux Absor-bed at the Surface from TOA Reflected Flux”. Journal of Climate, Vol. 6, No. 2: 317-330.MELIÁ, J., LÓPEZ-BAEZA, E., et al. (1997): Contribution of the University of Valencia. RemoteSensing of Mediterranean Desertification and Environmental Changes (RESMEDES). FinalReport. Contract No.: ENV4-CT95-0094.E. LÓPEZ-BAEZA,  A. BODAS, R. IRURZUN, J.C. FORTEA y P. DEL RIO296SUTTLES, J.T. y OHRING, G. (1986): Report of the workshop on surface radiation budget forclimate applications. WCP-115, O. M. M..ZAHONERO, M.J. (1988): Corrección Atmosférica de Imágenes LANDSAT para el Cálculo delMapa de Albedo. Proyecto Fin de Carrera, Universidad Politécnica de Valencia, Escuela TécnicaSuperior de Ingenieros de Telecomunicación, Junio 1998 (Director: Dr. E. Lopez-Baeza, Tutor enel Centro: Dr. J.M. Fuster).ZAHONERO, M.J., MARCHUET, E., LÓPEZ-BAEZA, E., VALIENTE, J.A. y FUSTER, J.M. (1998):“Corrección atmosférica precisa de imágenes LANDSAT-TM utilizando medidas en el suelo.Obtención de mapas de albedo de alta resolución espacial”. En F. FERNÁNDEZ GARCÍA, E.GALÁN GALLEGO Y R. CAÑADA TORRECILLA (Eds.) Clima y Ambiente Urbano en Ciuda-des Ibéricas e Iberoamericanas, Capítulo 4.5, 449-460. AGRADECIMIENTOSEste trabajo se enmarca específicamente dentro de los Proyectos RESMEDES y RESYSMED, ytambién dentro del Proyecto Integración de Parámetros Climáticos y Medidas de Satélite paraEstudios Regionales de la Cubierta Vegetal. Estudio del Impacto de la Degradación de losCultivos Extensivos y de los Incendios Forestales del Programa Nacional de I+D sobre el CLIMA.Es importante reconocer la ayuda prestada por el Instituto Nacional de Meteorología, por la provi-sión de datos de visibilidad, nubosidad, radiación solar y los productos intermedios derivados delHIRLAM/INM, cuya ejecución retrospectiva fue especial para la realización del trabajo. Similarmente,se reconoce la utilización de datos de análisis del ECMWF, conseguidos a través del Dr F. Olesen dela Universidad de Karlsruhe e imágenes METEOSAT procedentes de la Universidad Libre de Berlin.

Desarrollos metodológicos para el análisis de largas series de datos sobre zonas extensas. Aplicación al cálculo del balance de la radiación solar en la cuenca del Mediterráneo

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