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El proyecto “Experimental Modeling of a Future rainfall event in Ithaca, NY” es creado, bajo la cooperación de los profesores Josh Cerra del departamento de “Landscape Architecture” en Cornell University y Pete Marchetto del Departamento de “Bioproducts and Biosystems Engineering” en University of Minnesota. En respuesta a la necesidad de contar con una instalación que simule las condiciones de precipitación en el año 2050 en un jardín cuya localización es el campus de Cornell University.El objetivo del proyecto es la generación de prototipos experimentales que repliquen un evento de lluvia futuro; por tanto, para cumplir dicho objetivo: se decide generar un diseño teórico de un evento de precipitación futura, el cual considera la mayoría de características físicas que gobiernan el

CRISTHIAN FERNANDO ANDRADE

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Modelación experimental de un evento extremo de lluvia al futuro en Ithaca, New York

TÍTULO DE LA INVESTIGACIÓN:

OBJETIVO:

RESEÑA:

Modelación experimental de un evento extremo de lluvia al futuro en Ithaca, New York (“Experimental Modeling of a Future Rainfall event in Ithaca, NY”)- Cornell University

Particularmente el proyecto de investigación, estudia los cambios futuros en la precipitación en la ciudad de Ithaca, NY. Particularmente, se estudian los cambios en los tamaños y distribución de las gotas, como también los cambios en la intensidad, duración y frecuencia de eventos de lluvia de gran magnitud; lo anterior debido a que gotas de mayor tamaño y eventos de lluvia de gran magnitud, incrementan las probabilidades de fenómenos de erosión e inundaciones en la localidad de estudio.

A partir de dichos estudios es posible crear un modelo teórico de un evento sintético de lluvia. Sin embargo, el principal objetivo de la investigación es replicar experimentalmente las condiciones modeladas. Con dicho objetivo, se siguen algunos lineamientos de simuladores de lluvia existentes, y se prueban dos rociadores de jardín, los cuales tienen diferentes patrones de rocío y por tanto diferentes intensidades de lluvia generada.

A dichos rociadores se miden las intensidades generadas y la distribución de los tamaños de las gotas mediante un método llamado Método de la Harina. Finalmente, los resultados obtenidos son relativamente cercanos al modelo teórico; y la modelación empleada es muy útil para evaluar los efectos del cambio climático en la precipitación.

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fenómeno de precipitación y a partir de este resultado, es posible generar los prototipos de simulación de lluvia con los que se espera replicar los datos obtenidos.

El proyecto de investigación tuvo su apertura inicial el 17 de febrero del presente año. Aproximadamente al mes y medio de comenzar la investigación y de haber realizado la lectura de numerosos artículos de investigación, fue posible generar una metodología para simular un evento futuro de lluvia el cual incluyera los efectos del cambio climático. Durante la etapa final, fue posible generar los resultados del diseño hidrológico, comenzar el modelado de las características físicas de la lluvia, y también la generación de un prototipo de simulación de lluvia.

El proyecto utiliza proyecciones climáticas obtenidas a través de modelos de circulación global, modelos regionales del clima y técnicas de reducción de escala; con los cuales se obtienen los incrementos esperados en precipitación para el período comprendido entre 2040-2069 para la parte noreste de los Estados Unidos, pero en específico para la ciudad de Ithaca, donde se espera generar las simulaciones experimentales.

Las mejores proyecciones climáticas se encontraron materializadas en curvas de intensidad-duración-frecuencia; estás curvas se utilizan para generar un hietograma esperado el cual genera un evento extremo y sintético de lluvia futuro, el cual considera una duración de dos horas, seleccionada por medio de las observaciones realizadas por Huff en 1990; estas observaciones consideran un rango menor a seis (6) horas para tormentas de primer cuartil, que son los periodos de lluvia extremos caracterizados por la descarga de grandes intensidades de agua en cortos periodos de tiempo.

El hietograma esperado muestra la distribución temporal del evento de lluvia, en intervalos de tiempo de 10 minutos. Por medio de un cálculo sencillo se obtiene un perfil de la función de intensidad de la lluvia con respecto al tiempo en (mmh-1) para los diferentes intervalos de tiempo.Según numerosas investigaciones la intensidad está estrechamente relacionada con la distribución de las gotas, el tamaño de gotas y la velocidad terminal en un evento de lluvia. Al respecto, se asocian los valores de intensidad con funciones de distribución de probabilidad que exhiben el comportamiento de la distribución de las gotas en un evento de lluvia natural. Finalmente, con estos parámetros abordados es posible simular teóricamente el evento futuro de lluvia.

Con los datos obtenidos de la modelación hidrológica y la modelación de las características físicas de la lluvia. Se crea un prototipo de simulación de lluvia, el cual considera rociadores de jardín, por tener en su composición, diferentes patrones de roció; para este prototipo se miden las intensidades y las distribuciones de las gotas por medio del método de la harina.

Las implicaciones de estas tres etapas en las que se divide el proyecto no solamente tienen importancia para el Jardín del cambio climático; pues estudios de los fenómenos de lluvia-escorrentía son modelados y entendidos con simuladores de lluvia, de la misma forma, fenómenos de erosión en los suelos son modelados con estos dispositivos. Adicionalmente, uno de los propósitos de este proyecto es analizar las implicaciones del efecto del cambio climático en los eventos extremos de precipitación, pues como se ha podido determinar según diferentes investigaciones, al aumentar la intensidad, otras variables como la precipitación total o la velocidad terminal de las gotas varían,

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generándose por una parte una mayor probabilidad de inundaciones en ciudades y por la otra incrementándose los fenómenos de erosión en los suelos

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN:

Los resultados de la investigación se dividen en dos partes: la primera muestra los resultados del análisis teórico y la segunda, muestra los resultados experimentales de la modelación teórica.En la figura 1, podemos observar el Hietograma esperado para una lluvia extrema con una proyección para (2040-2069), en un tono azul oscuro, contrastando dicho resultado con un Hietograma para una lluvia extrema para un período de (1970-1999).

La comparación de los valores de intensidad para una misma duración del evento de lluvia, pero diferentes proyecciones en el tiempo; muestra un incremento del 18% en la precipitación total para la proyección (2040-2069) con respecto al periodo de (1970-1999).

Por otra parte, las pruebas realizadas en el modelo experimental, presentaron un buen rendimiento. En especial las pruebas de intensidad de lluvia, donde se probaron dos tipos de rociadores de jardín y se pudo obtener un comportamiento muy cercano al modelo teórico.

En cuanto a las pruebas de la distribución de los tamaños de las gotas, en un principio se esperaba que la intensidad de la lluvia gobernara el comportamiento del tamaño de las gotas, y por consiguiente se obtuvieran datos muy cercanos al modelo teórico. Sin embargo, los resultados no fueron muy acordes con el modelo teórico, esto pudo ser causado por la poca capacidad de crear gotas de gran tamaño (> 2mm) a través de los rociadores. Adicionalmente, los mecanismos de

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Figura 1. Una comparación de dos hietogramas esperados, los cuales muestran una diferencia entre un evento extremo de lluvia ahora y en el futuro.

Figura 2. Pruebas de intensidad que muestran el comportamiento de los diferentes patrones de rocío para dos tipos de rociadores de jardín (1) Viking® (2) Amir ®

Tabla 1. Valores de intensidad promedio de las pruebas realizadas, con su correspondiente desviación estándar para cada patrón de roció.

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creación de gotas por medio de los rociadores difieren de los mecanismos presentes en la naturaleza y por tanto puede ser otra causa de que la intensidad o jugará un papel esencial en la distribución de tamaños de las gotas. Este comportamiento se puede observar en la figura 2 y 3, y en la tabla 1.

Figura 3. Una comparación de la distribución de los tamaños de gota para eventos naturales de lluvia de diferente intensidad, y la distribución de los tamaños de gota obtenida por medio de los rociadores de jardín. Estos últimos tienen una capacidad

limitada para producir gotas de más de (2mm)

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Conclusiones

• Los fenómenos de inundación, solamente en los Estados Unidos causan más de 82 muertes al año y pérdidas económicas cuantiosas (Castellano & Degaetano, 2014)

• Existen nuevas técnicas de modelación del clima (Modelos de circulación global) los cuales analizan diferentes escenarios de cambio climático, dependiendo de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera, estos modelos pueden incluir otras variables, ejemplo de esto es la inclusión de los efectos de las ondas gravitacionales en el clima.

• Los simuladores de lluvia actuales, tratan de escoger una intensidad de lluvia en particular, sin embargo, en esta investigación se necesitaba simular distintas intensidades.

• Estudios han mostrado que los tamaños de gota máximos son de 7mm y la velocidad terminal máxima es de 9 m/s (G. B. Foote, 1969)

Referencias importantes

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• Laws, O. J., & Parsons, D. A. (1943). THE RELATION OF RAINDROP-SIZE TO INTENSITY. American Geophysical Union, 452–460.

• Al parecer las proyecciones climáticas obtenidas por medio de técnicas de reducción de escala, pueden darnos información más detallada acerca de un sitio geográfico en específico. Si nosotros comparamos los resultados obtenidos entre modelos de circulación global para el estado de Nueva York y las proyecciones obtenidas por medio del Hietograma esperado; es posible decir que los

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eventos extremos de precipitación en el futuro, van a ser más intensos que lo considerado con los modelos de circulación global. • De acuerdo al modelo teórico, las características físicas de la precipitación al futuro en Ithaca van a cambiar, específicamente en el diámetro de las gotas y en la velocidad terminal, debido a la directa relación con el incremento de la intensidad de los eventos de lluvia. Estos incrementos en la velocidad terminal y en los diámetros de las gotas incrementarán la probabilidad de inundaciones y de fenómenos de erosión.

• Una instalación que simule un evento sintético de lluvia en el futuro, en el jardín del cambio climático, requiere: (1) rociadores versátiles que simulen distintas intensidades y generen tamaños de gota mayores a dos milímetros (2) un temporizador de extremo de manguera que tenga seis canales independientes para controlar cada rociador (3) válvulas de control de presión en la instalación (4) un sistema de control electrónico para recolectar información para el estudio de los procesos de lluvia escorrentía y también para el estudio de los fenómenos de erosión.

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