MIETEOROlOGIA

APLICACION ESPECIAL AL MICROCLIMA DEL BOSQUE

LUIS GONZAGA GIRALDO LOPEZ

Ingeniero Forestal

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SECCIONAL MEDELLIN

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS FORESTALES

1989

ü UNAL-Medellin

11I1I1111j~l ll ll11111111111111111111I1111I1111I11 1111I111111111111111 1111 1111 6 4000 00068436 8

A mi esposa CLARA INES

A nuestros hijos NATALIA Y LUIS ARTURO

E.

El

en

la atmósfera.

Se hace espeCial

/

PRESENTACION

presente texto trata sobre diferentes temas de la meteorología,.

lo que respecta a los fenómenos más importantes de la atmósfera,

se estudian los parámetros que conforman el clima y las caracterís­

ticas que hacen posible la conexión de las coberturas vegetales con

referencia al ecosistema forestal, puesto que en él

se forma un ambiente parti.cular, llamado microclima, responsable de

1a productividad forestal.

Existen innumerables investigaciones dispersas en el campo de la me­

teü¡-ología y del microclima del bosque; por eso uno de los principa­

les objetivos de este texto es reunir los estudios más relievantes y

ordenarlos en una 'secuencia de capítulos, para que sirvan como guía

de lectura en las clases de Meteorología. Es difícil encontrar en

la literatura consultada una obra académica práctica, que esté acorde

con los objetivos que se persiguen en este curso de Pregrado de Inge­

niería Forestal; éste es un primer intento de hacerla.

IUNI -"SIL D N el NAL

BlB~YO:28TI A L

El manual trae suficientes diagramas explicativos y muchas de las in­

vestigaciones revisadas se exponen con sus respectivas figuras y re­

sultados obtenidos para aclarar más los conceptos. En algunos temas

profundizo en los modelos o ecuaciones, no con la finalidad de confun­

dir, síno para llegar a una explicación más rigurosa de las variables

climáticas.

Es placentero para mi presentar este manual, no sólo desde el punto

de vista didáctico, sino también como apoyo a los estudiantes que ge­

neran investigación en estos temas, como material de consulta.

-----------------------

----------

---- ------

TABLJi, DE I'TENIDO

pág,

INH, lJ~C ON

CA.PlTU O L 1, l Ac raN SOLA, BA ~,::E DE ENERG J EN 80 l} lIES 1 .lo

1.1 CONSTANTE SO AR Y DIS1RIBUCION ESPEC TRAL DE LA RADIACION

SOLAR 2

1. 2 PLANTAS Y RADIACION SOLAR 5

1.3 UNIDADES DE RADIACION y TERMINO OGIA 9

1.4 BALANCE DE ENERGIA RADIACION NCTA 11

1 .4.1 Radiación ~l obal 12

1.4.2 Radiación Neta 14

1.4.3 Conducción 15

1.4.4 Calor latente de evaporación 16

l· .:Jr. BALANCE DE ENERGIA EN L.A SUPERFICIE DEL SUELO DURANTE EL

DIA Y DURANTE LA NOCHE 18

L 6 ESTIMACION DE LA RADIACION SOLA.R GL OBAL 21

1.7 ESTIMACION DE LA RADI.ACION NETA _~~ 23

1.8 VARIACION DE LOS TERMINOS DEL BALANCE DE ENERGIA 25

1. 9 CALCULO DEL BALANCE DE ENERGIA) EJERCICIO ___~__ 28

301.10 BALANCE DE ENERGIA EN BOSQUES __

321.10.1 Absorción de radiación por el bosque tropical ____

37

pág.

1.10.2 Valores tí icos de los componentes del balance de ener­

gía en bosques ' ___

1.11 INDICES RELACIONADOS CON EL BA ANCE DE ENERGIA 40 ~---

1.11.1 Razón de Bowen 40

1.11 . 2 I nd i ce de área f ol ;ar 41 ---------------~-------

1. 1~ .3 Ef ici encia de la energ ía en el proceso de fotosfnte s is _ 47

1.12 INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN . E ICION DE LA RADUI,CION SOLAR 49

REFERENCIAS :SIBLIOGRAFICAS 52

CAPITULO 2. TEMPERATURA DEL AIRE. VARIACION DENTRO DEL BOSQUE

TEMPERATURA DEL SUELO ________ 55

2.1 LA ATMOSFERA. DIVISION VERTICAL 56

2.2 TEMPERATURA DEL AIRE EN SUPERFICIE 58

2.3 TEMPERATURAS MEDIAS 59

2. 4 . GRADIENTE DE TEMPERATURA EN ALTITUD 60

L.5 TEMPERATURAS MAXIMAS y MINIMAS 64

2.6 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE 65

2.7 TEMPERATURAS Y FAJAS LIMITANTES PARA EL CRECIMIE~TO DE

LAS PLANTAS 69

2.8 VARIACI8N DE LA TEMPERATURA DENTRO DEL BOSQUE 75

2.9 TEMPERATURA DEL SUELO 81

2.9.1 Comportamiento de la temperatura del suelo cubierto con

bosque 81

2.9.2 Temperatura crítica y producción de materia orgánica 84

2.9.3 Perfil de la temperatura del suelo 87

2.9.4 Instrumentos de medida de la temperatura del suelo 90

pág.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 91

CAPITULO 3. CIRCULAC ION y HU ·?EDA AníJ~FERICA VI NTO EN

SUPERFICIE Y EN EL ERFIL DEL BOSQUE ___ _ 94

3 . 1 CIRCULACION DE LJI ATMO SFE. Jl. 94

3 . . 1 Cara er is . icas de l a cl rcul ci ón 9 era l o macroci rcu­

l adón - --­ - -_._---------­ - 94

3.1.2 Zona d co~fluencia intertropical 100

3.1.3 Circulación local o microcirculación -------­ 106

3.2 HUMEDAD ATMOSFERICA ______________ 110

3.2.1 ImpOl~tancia de la humedad a mosférica ________ 110

3.2 .. 2 Expresiones y variables de la humedad atmosférica ___ 111

3.3 VIENTO EN SUPERFIC E _~___ ________ 116

3.3.1 Medida del viento er uoerficie y unidades ------­ 116

3.3.2 La variación diaria de la velocidad del viento y rosa de

de vientos. Ejercicio ------­ -----------­ 117

3.3.3 Instrumentos u"i1izados para medir la velocidad.Y direc­

ción del viento 124

3.,3.4 Perfil de la velocidad del viento en bosques _____ 125

3.3.4.1 Capas de acoplamiento entre la vegetación y la atmós­

fera ---­ 125

3.3.4.2 Propiedades de un perfil del viento en bosques: Modelo

Logarítmico de la velocidad del viento _______ 129

3.3.4.3 Perfil del viento en bosque de coníferas ______ 135

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS _____ - ______ 139

---

- - ------- -

----

--------

-------------------

pág.

CAPITULO 4. EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQUES 142---,----- ­

4.1 PROCESO DE EVAPORACION. FLUJO DEL VAPOR DE AGUA 142

4.2 EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQ UES 147

4.2.1 Modelación de la transpira c- on en bosques ______ 151

4.2.2 Resistencia aerod inámica 154

4. 2. 3 Resistencia esto , ~ t ica 156 '" .

4.2.4 Tasas de transpiraci6n en coberturas vegetales 158

4.2.5 Transpiración de bosques vs. t ranspiración de gram1neas 165

4.2.6 Medici6n de la resistencia estom~tica 168

4.3 MODELACION DE LA EVAPOTRANSPIRACION EN BOSQUES : ECUACION

DE PENMAN - MONTEITH 169

4.4 EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL Y REAL 171

4.5 ESTIMACION DE LA EVAPOTRASPIRACION A Pi\ T R DE VARIABLES

~lETEOROLOG1CAS 175

4.6 MEDICIONES DIRECTAS PARA DETERMINAR LA EVAPOTRANSPIRACION 179

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 189

CAPITULO 5. PRECIPITACION : CARACTERIL4CION 193

5 . 1 CONDICIONES PARA LA FORMACION DE PRECIP JT /J,C ION _ _ _ 194

5.2 FORlv1AS DE PRECIPITACION y VELOCIDAD DE CAlDA 195

5.3 TIPOS DE PRECIPITACION _____________ 197

5.4 INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN LA PRECIPlTACION ____ 198

5.5 MEDICION DE LA PRECIPITACION ____ 202

5.5.1 Medici6n puntual de la precipitación ____________~ 202

5.5.2 Estimación de los errores en la medici6n de la precipi­taci ón _______________________________ 203

- -------

--

pág.

5.5.3 Instrumentos de medici6n de la precipitación 205

5.6 CARACTERISTICAS DE LA PRECIPITP,CION 207

5.6 . 1 Cantidad o magnitud 207

5.6.2 Duración € intensidad 207 ------------------------~

15.6.3 Prec;p i t aci ón medi a. sobrE: un área' ___ _ _ _ 211

5 -¡ ón ll. . 4 Estud i os de"a l tur'c. de precip itación-á r~a.- dl! 'f 217

5.6 .5 Precipitacion máx i ma probable 219

5.6.6 Estudios de flIntensidad-Duración-F!~ecuenciall 220

5.6.7 Análisis de frecuencia de lluvias 222 ._------,- ­

5.7 VARIABILIDAD DE LAS CANTIDADES DE LLUVIA. SERIES.

HOMOGENEIDAD Y ESTII~ACION DE PROBABILID/l,OES _ _ ___ 225

5.7'.1 Series de precipitación _______ 225

5. 7. 2 Registros de precipitación faltantes ___________ 227

5. 7. 3 Curvas de doble masa 228- -----------.-------------- ­5.7.4 Variabilidad de la cantidad de lluvia y estimación de

proba bil i dad _ _______________________~--" 230

5. 7.4.1 Distribución empírica _~_~ __________ . 232

5,7 . 4,2 Distribuciones teóricas 238

5.8 BOSQUES Y PRECIPITACION _______ 243

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ____ 251

CAPITULO 6. DISTRIBUCION DE LA PRECIPITACION A TRAVES DEL

BOSQUE _____________~ 253

6.1 PROCESO DE INTERCEPTACION. DEFINICION DE VARIABLES 253

6.2 MEDICION DE LAS PERDIDAS POR INTERCEPTACION ___ ~_ 257

pág.

6.2.1 Modelo general 257

6.2.2 Frecipitación total (p) 260

6.2.3 Precipitación Interna (PI) 262

6.2.4 Escurrimiento por el ta l l o (Et} 263

6.3 MODELACION DEL PROCESO DE IN ERCEPTAC ION 265

... ~ 1 Q,,j • .l. r1ode"lo l"¡ nea 1 si mpl e ____ ""_ 265

6.3.2 Modelo Fisico de UTTER 266

6.3.3 Modelo Anal1tico de Gash 274

6.4 El PAPEL DE BOSQUE DE CONIFERAS y BOSQUES NATURALES EN

LA DISTRIBUCION DE LA LLUVIA _____ 279

6.4.1 Eucalipto e interceptación 280

6.4.2 Conlferas e interceptación _____ 280

6.4.3 Especies latifoliadas e interceptación 284

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS _________ ___ 28­

,l\PENDICE A ______

CAPITULO 1

RADIACION SOLAR y BALANCE DE ENERGIA EN BOSQUES

La radiación solar~ es la principal fuente de energía responsable de

que los organismos plantas o animales, de la superficie de la tierra

dispongan de un medio ambiente adecuado para su desarrollo.

La radiación solar y su flujo son altamente variables, tanto en el

tiempo como en el espacio, el, clima, la estación y otros factores.

La distribución de los organismos y plantas responden acorde con es­

tos cambios.

Las plantas y su parte aérea (copas) reciben la energía por radiación,

convección y transferencia de evaporación, condicionando así el con­

tenido de energía de la planta a su capacidad de absorción, para uti ­

1izar1a en su comportamiento fisiológico y acoplamiento con la atmós­

1 fera adyacente.

Basado en este papel re1"evante de la radiación solar, se considera­

rán en primer lugar, aspectos teóricos de la radiación, espectro solar

y balance de energía y en segundo lugar, en forma más específica, la

distribución de la radiación en el bosque y la respuesta de éste al

mi croc1 ima .

2

1.1 CONSTANTE SOLAR Y DISTRIBUCION ESPECTRAL DE LA HADIACION SOLfl,R.

La radiación solar- que penetra l a atmósfera de 'Ia tierra y alcanza la

superfic i e es la fuente de cas i t oda 1 encrgfa que sustenta la vida.

La radiación solar que alcanza la pa r te exterior de la atmósfera es

disioada de muchas formas, siendo en pa r te reflejada y en parte ab~or-

bida por la misma atm6sfera s las nubes~ otras partfculas s6lidas de

la atmósferas la vegetac i ón '.i Fi na l mente por' 'Ia tiena (ver Figura 1).

REFLEXIOPt 11%

I I

. ! I

EVA.P0 1: RANSP !RAe! ON 55t)/o

:.......- C,tId....PR SEN518~E

12%

FIGURA 1.

RADIA CION SOLAR

EXTRATERRESTE' lodro

ABSORCION 16%

R ADIACION ISo DIRECTA

RADIACION GLOBI\L ~O¿'

FLWO DE CALOR H~IA EL SUELO 0% -.. ,1

Distribución de la radi ·.:Jción ext.raterrestre y de la radia­ción global (Adaptada de Lima, 1986).

---

3

Los porcentajes fueron tomados de Geiger, 1966,adaptado por Lima

(1986).

La radiación solar es transferida de un lugar a otro a la velocidad

de la luz, a través de ondas. Ella puede ser radiación de alta fre­

cuencia, con longitud de onda corta, o baja frecuencia, con longitud

de onda 1arga.

La distribución expectral de la radiación extraterrestre es represen­

tada por Gate (1965) en la Figura 2. El área total bajo la curva es

-¡ E U

-¡ e "6

N E U -J <t O

~

U Z

~ a: a:

Q3 0:4

--ULTRAVIOI..E-T4--f-!­

0.6 0705 LONGITUD DE

- -VISIBLE ··¡...I· ­

FLUJO DE LUZ SOLAR

EXTRATERRESTRE 2!)0 e A L C m-2 min-I

LUZ SOLAR DIRECTA

NIVE L DEL MAR 1.34 CALCM-2 MIW

ONDA, MICRONES

1200-!5)

:5'10(10- )

200-~

15.000 10.000

NUMERO DE ONDAS

Distribución espectral de la radiación solar extrat~r~estre,FIGURA 2. de la radiación solar a nivel del mar, y luz transmltlda a través de la vegetación (adaptada de Gate. 1965).

4

2.0 Cal Cm-2 Min- 1; a éste valor se ha denominado LA CONSTANTE SOLAR,

estimada como la cantidad de radiación solar por un i dad de 5rea por

unidad de tiempo, que incide perpendicularmente n una superficie nor­

mal, unitaria, cuando el radio vector ti er ra-sol es unitaria (distan­

cia media entre tierra y sol ) y en ausencia de atmósfera (Ometto,

1981) ,

En la Figura 3~ Reifsnycter y Lull (1965) , presentan -las bandas del es­

pectro solar en forma esquem5ti ca. La r adiación solar' ultravioleta es

absorbida casi completamente por la capa de ozono existente en las ca­

pas altas de la atmósfera. l a rad i ac i ón azul del espectro visible es

dispersada y a la vez absorbida confiriendo el color azul al cielo. <

El infrarrojo del espectro es atenuadJ por absorción del vapor de agua

y el dióxido de carbono de la atmósfera . Además los ray()s S01;1 1-CS Gü~

atraviesan la atmó5fe ;~ son atenuados po r di si pación .

_-_....,....~_..nADIACION TER"U:,..;;~"toI

1oo ____INFR ARR0.JJf-_ L JANO

, , ~~~ILU~t..L..J;~.u...::..=.:..:=r.'::::"::L-..L.l-Ll....LI..L---=.:t.:.:.::.i.::"-..l.-...L....J...i....1

01 2 5 10 20 50 100 / LONGITUD D,E ONDA ~m

FIGURA 3. Longitud de onda de la radiación solar y terrestre y las bandas del espectro solar (Adaptada de Reifsnyder y Lull,

. 1965).

5

Volviendo sobre la Figura 3, la radiaci6n con longi t udes de onda

0.4- a 0.7 micras (una micra = 1000 m,l-( (milimicra) es visible sin

ayuda para e ojo humano y se denom ina luz. La rad iación infran'oja

en la faja de 0.7 a 4. 0 micras ( i nfrarroj o próx imo) . Po~ ot ra parte

la superficie de lo. tierra también emite radiación, pero so·lamen te

de onda l arga , en. la faj a de 4 .0.p ( infrarroj o le ·ano ), ha s t a 100

micra,s (Reifsnyder· y L11 1, 1965) , \ .

1.2 PLANTAS Y RADIACION SOLAR,

El contenido de energia y por supuesto, la temperatura, de una planta

dependen parcialmente de la radiaci~n incidente y la emitida , La can­

tidad de energfa radiante absorbida por l a planta sé determi na direc­

tamente por su absorbanc i a~ la cua l es una funci6n compleja de la 10n­

gitud de onda, mientras que la cantidad de energia radiante emitida se

determina a través de su transmitancia . Actualmente, una planta absor­

be solamente el 60%de la energfa solar incidente y el 97%de la ra­

\ diaCiÓn térmica infrarroja incidente del medio ambiente (Gates, 1965).

las propied .1es espectrales de las hojas de una planta han sido consi­

deradas en detal le por diferentes autores (Gates, 1965; Larcher, 1970;

Jarvis, 1976; Ometto, 1980; Grace, 1983; Chiariello, 1984). tas pro­

piedades espectrales de una hoja de Populus deltoides se pueden obser­

var en la Figura 4 (Gates, 1965~. El espectro de absorbancia muestra

claramente que una planta absorbe en nivel alto las longitudes de

6

onda del azul y el rcjo~ en nivel intermedio el verde, en muy bajo

nivel el infrarrojo cercano, y en alto nivel el infrarrojo lejano.

\ ¡ I I t I LJL.....-<-I-1.1_----'­1_--,---,I~L.l.u_1 _ 0.4 Q5 Q6 0.7 Q8 O.S lO 1.5 20 4.0 la O CD

1.:......4-. LONGITUDDEONDA M ICRONES

VISIBLE .... ______ INFRARO.W.----_~.j

'--ULTRAVI OLEl A. --.---.:..~

(iJO r v f

80 ( VERDE

.'~ '.ro ,o" 'o " ....... .•• ro.··

w (!)

- .~ ....Z '.:'PO PUWS DELTOIDES

---ABSORSANCI A. r - ~ --" 11.1

~ 40O - - - - -REFLECTANCIA SOBR { .... - ....11.

LA SUPE~FICIE:/ \ \. ­

· ........ :·· ..·TRANSMITANCIA

:1 fr'".:ir I !I ,::

20- : I - 1, . ( li t . I I :/ I I \; ;:

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- -- --- .: >:- ~ .,' . .........................'Í I 'j'''LLI --'----LI---'I~....J_ -L----L-----L---L_L-....-'--'----J.

25.00 20·00 15.000 10·000 5.000 o NUMERO DE ONDAS c~

Reflectancia, transmitancia yabsorbancia de las hojas deFIGURA 4. PQPulus deltoides (Adaptada de Gates, 1965).