La Metrología y su Papel en el Estudio del Clima: Variables Climáticas Esenciales

Una variable climática esencial (ECV) es una variable física, química o biológica o un grupo de variables que contribuye de manera crítica a la caracterización del clima. Las ECV son seleccionadas por su relevancia para describir el sistema climático, su impacto en las interacciones dentro de ese sistema y su utilidad en el monitoreo y predicción del clima.  

La definición y estandarización de las ECV es un proceso coordinado a nivel internacional, que incluye a varias organizaciones y programas especializados. El principal organismo responsable de definir las variables climáticas esenciales es el Sistema Global de Observación del Clima [1] (GCOS, por sus siglas en inglés). Establecido en 1992 por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), la Comisión Oceanográfica Intergubernamental (COI) y el Consejo Internacional para la Ciencia (ICSU). GCOS tiene la misión de coordinar y promover la observación del clima a nivel global. 

GCOS define las ECV basándose en criterios específicos [2] que aseguran su relevancia y utilidad en la observación y el análisis del clima: 

1. Relevancia Climática: Las variables deben ser fundamentales para comprender y predecir el comportamiento del clima y sus impactos. 

2. Factibilidad de Medición: Deben ser medibles con tecnologías y métodos existentes o en desarrollo. 

3. Impacto en la Sociedad y el Medio Ambiente: Las variables seleccionadas deben tener un impacto significativo en la sociedad y el medio ambiente, ayudando al desarrollo de estrategias políticas y de gestión. 

Las ECVs son fundamentales para la investigación climática y proporcionan datos críticos que permiten: 

1. Monitorear Cambios Climáticos: Identificar y analizar tendencias a corto, medio y largo plazo. 

2. Desarrollar Modelos Climáticos: Mejorar la precisión de las predicciones climáticas. 

3. Establecer Políticas y Estrategias: Guiar la formulación de políticas ambientales y estrategias de mitigación y adaptación al cambio climático. 

En la actualidad están definidas 55 ECVs que describen los diferentes componentes del sistema climático, la atmósfera, los océanos, la criosfera y la superficie terrestre y se estructuran en tres categorías principales: la atmósfera, los océanos y la tierra (Figura 1).

Figura 1. Variables Climáticas Esenciales [2] 

3. La metrología internacional y su papel en el Estudio del Clima 

La metrología se centra en la medición de variables físicas y químicas. En el contexto del cambio climático, estas mediciones son cruciales para monitorear las variables climáticas esenciales, como por ejemplo la temperatura de aire, la concentración de diferentes gases de efecto invernadero, la temperatura del agua del mar y la acidificación de los océanos. Medidas climáticas basadas en conceptos metrológicos son una garantía de la calidad y comparabilidad de los datos climáticos y de las conclusiones derivadas de los mismos. Este factor ha llevado a una creciente colaboración entre la Organización Meteorológica Mundial (WMO, por sus siglas en inglés) y el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Un hito importante en esta cooperación es la firma del acuerdo de reconocimiento mutuo entre las dos organizaciones. Este acuerdo, firmado el 1 de abril de 2010, establece un marco de cooperación en metrología climática, mejorando la calidad y comparabilidad de las mediciones climáticas a nivel global. 

Una primera consecuencia del acuerdo firmado en 2010 fue la organización de un seminario conjunto entre la WMO y BIPM con el objetivo de fortalecer la colaboración entre las comunidades meteorológica y metrológica. Este workshop, titulado “WMO-BIPM Workshop on Measurement Challenges for Global Observation Systems for Climate Change Monitoring,” [3] reunió a expertos de todo el mundo para abordar los desafíos metrológicos en la medición y monitoreo del cambio climático. Como resultado de este workshop se desarrollaron recomendaciones estratégicas [4] para mejorar la precisión y coherencia de las mediciones climáticas. Esto incluyó la necesidad de desarrollar nuevos patrones de referencia y procedimientos de calibración específicos para algunas de las variables climáticas esenciales. Además, se establecieron bases sólidas para una mayor cooperación entre la WMO y el BIPM y Se identificó la necesidad de programas de capacitación y educación continuada para profesionales en metrología y meteorología. Esto ayudaría a asegurar que las mejores prácticas y conocimientos se compartan y apliquen globalmente. 

En septiembre de 2022, la WMO y el BIPM organizaron conjuntamente un segundo seminario en París, Francia, titulado “WMO-BIPM Workshop on Metrology for Climate Action” [5] con el objetivo principal de continuar fortaleciendo y avanzando en la colaboración entre la metrología y la meteorología para mejorar la precisión y fiabilidad de las observaciones climáticas. Nuevas recomendaciones se derivaron de este workshop [6] que reflejan los nuevos desafíos metrológicos identificados en la determinación del cambio climático continúan creciendo. La importancia de medir con precisión y coherencia aumenta a medida que el estudio del estado del clima es más crítico. Tras este seminario el Comité Internacional de Pesas y Medidas estableció el Grupo Sectorial de Cambio Climático y Medioambiente (CIPM-STG-CENV en sus siglas en inglés) en el que participan representantes de la comunidad metrológica y de medioambiente y clima para llevar a cabo una coordinación conjunta y un seguimiento de las recomendaciones. 

A nivel europeo, Euramet se ha creado La Red Europea de Metrología para el Clima y Observaciones de los Océanos (Euramet EMN COO) [7] con el objetivo de coordinar la Metrología Europea para satisfacer las necesidades metrológicas detectadas en materia de Clima y Océano. En la actualidad esta red europea cuenta con la implicación de 33 Centros Nacionales de Metrología e Institutos Designados Europeos que colaboran en estrechar lazos con Instituciones que trabajen en materia de Clima y Océano, en detectar las correspondientes necesidades metrológicas y ofrecer soluciones​.  

La red metrológica EMN COO fue formalizada en junio 2019 y desde entonces se han realizado un profundo análisis de las necesidades metrológicas de Instituciones trabajando en actividades relacionadas con el clima y los océanos [8] y se ha establecido una Agenda estratégica de Investigación [9].    

4. El Centro Español de Metrología (CEM) y el Clima. 

El CEM empezó en 2011 a involucrarse en actividades relacionadas con dar soluciones a las necesidades metrológicas en materia de Clima y Océano, mediante su implicación en proyectos europeos de Investigación [10] [11]. 

Las actividades del CEM relacionadas con el clima comenzaron primero a nivel de  laboratorio, continuando con el establecimiento de experimentos metrológicos en campo bajo condiciones reales de medida. 

4.1. Caracterización de termómetros en el laboratorio  

Una de las primeras actividades del CEM consistió en desarrollar procedimientos para el estudio y caracterización de termómetros para la medida de la temperatura del aire. En concreto se estableció un procedimiento para evaluar el autocalentamiento de diversos termómetros utilizados en mediciones climáticas y meteorológicas [12]. 

Se demostró que el error de autocalentamiento en los termómetros de resistencia de platino depende en gran medida de la corriente eléctrica aplicada para la medida de temperaturas. Por lo tanto, si los termómetros están calibrados a una corriente eléctrica diferente a la de utilización el efecto de autocalentamiento debería ser considerado en la evaluación de incertidumbres. La figura 2.a muestra la dependencia del error de autocalentamiento con la corriente eléctrica aplicada y con la temperatura para un termómetro comúnmente utilizado en mediciones meteorológicas. Dicho error fue evaluado en un baño con líquido agitado, normalmente utilizado en la calibración de termómetros. Además, el error de autocalentamiento también depende de la conductividad térmica del fluido en el que el termómetro está sumergido, por lo que, nuevamente, se aconseja realizar la su calibración en condiciones idénticas a las de trabajo. Es decir, si el termómetro se utiliza para medir la temperatura del aire, es recomendable calibrarlo en una cámara climática. Sin embargo, se podría preferir la calibración en baños de líquidos ya que normalmente implica menores incertidumbres que la calibración en cámaras de aire. En este caso las diferencias entre el error de autocalentamiento en baños de líquido agitado y en la cámara de aire debería evaluarse como una fuente adicional de incertidumbre en las mediciones de la temperatura del aire.  

Figura 2. Error de autocalentamiento un termómetro de resistencia de platino comúnmente utilizado en mediciones meteorológicas y climatológicas. (a) dependencia con la temperatura y con la corriente aplicada al termómetro. (b) dependencia con el tipo de fluido en el que este sumergido el termómetro. 

4.2 Influencia de los edificios en las medidas de la temperatura del aire 

 EL CEM desarrolló un experimento para evaluar la influencia de un edificio en las mediciones de la temperatura del aire [13]. Esta evaluación tuvo como objetivo producir conclusiones, información y datos confiables para contribuir a los esquemas de siting clasificación (clasificación del emplazamiento) [14] de la WMO en las mediciones de la temperatura del aire. Para ello, se diseñó, implementó y llevó a cabo un experimento de campo. Como resultado, se recopilaron mediciones de temperatura del aire durante un año para cubrir las distintas condiciones meteorológicas. En este experimento, un edificio de 200 m de ancho es la única fuente de calor artificial y el único objeto que proyecta sombras sobre una superficie plana (sin pendiente perceptible) en un espacio abierto de más de 40 000 m². Se instalaron ocho termómetros calibrados a una altura de 1,5 m del suelo, todos equipados con el mismo modelo de pantallas radiación y a diferentes distancias del edificio de 200 m de ancho. Esta configuración proporciona una distribución radial y horizontal de la temperatura del aire desde el edificio y, en conclusión, permite cuantificar las influencias del edificio en las mediciones de temperatura del aire a diferentes distancias del edificio. Se observaron dos influencias: una positiva que ocurre principalmente durante las mañanas y que disminuye con la distancia al edificio, y otra negativa, que ocurre por las tardes, donde la temperatura del aire aumenta con la distancia al edificio. También se observó que influencia del edificio están directamente relacionados con la irradiancia solar máxima correspondiente.  

Figura 3. Esquema del experimento realizado en Ávila para la determinación de la influencia de edificio en las medidas de la temperatura del aire 

4.3. Medidas de la temperatura de agua del mar por fibras ópticas 

El CEM, en colaboración con el CSIC y con la Universidad De Barcelona, diseñó e implementó un experimento para medir la temperatura del agua del mar con fibra óptica/redes de Bragg (FBG) [15]. Estos sistemas ópticos, basados en fibras ópticas fueron diseñados, ensamblados y desplegados en el mar para realizar mediciones de la temperatura del perfil de una columna de agua de mar de 20 m de profundidad y de la temperatura de la superficie del mar. Se registró la temperatura del perfil del agua y la temperatura de la superficie del mar por estos sistemas ópticos durante tres meses. Se calibraron antes y después de las medidas en el mar, con una incertidumbre expandida de 80 mK (k = 2) y una deriva inferior a 80 mK. Mediante este proyecto otro dispositivo comúnmente utilizado en aplicaciones marinas (CTD seabird 37 SMD), fue calibrado en el CEM y comparado con las fibras ópticas en medidas de temperatura del agua de mar. El CTD seabird 37 SMD se calibró en (0, 30) °C con una incertidumbre de 5 mK (k = 2) y se evaluó la deriva del equipo tomando un valor inferior a 3 mK.  

Se realizaron mediciones trazables de la temperatura del mar comprobando que las fibras ópticas no se vierón afectadas por fuentes de ruido adicionales que empeoraran la resolución de los FBG en su uso como termómetros. La utilización de las FBG como termómetros podría suponer un complemento a la instrumentación que se utiliza actualmente para medir la temperatura de agua del mar, que se utilizan principalmente para mediciones puntuales en tiempo y en espacio. Mientras que las redes de Bragg permiten realizar mapas de medidas de temperatura de manera continuada.  

4.4. Proyecto COAT 

El Centro Español de Metrología coordina un proyecto Europeo que consiste en la comparación de pantallas de radiación para termómetros en el Ártico, concretamente en Ny Alesund, Svalvard [16]. El objetivo principal de esta comparación es obtener información para aumentar la comparabilidad mundial de las mediciones de la temperatura del aire. Las mediciones de la temperatura del aire se realizan mediante diferentes combinaciones de termómetros y pantallas de radiación. La respuesta de cada sistema (termómetro + pantalla) a las variables condiciones meteorológicas locales depende del propio sistema, lo que limita la comparabilidad de las mediciones de temperatura del aire. En esta inter-comparación participan 10 modelos diferentes de escudos de radiación, registrándose la lectura de 41 termómetros durante 13 meses, tomando lectura de cada termómetro con una frecuencia de dos minutos. Toda la instrumentación fue calibrada justo antes y justo después de las de la exposición de los termómetros y pantallas de radiación a las condiciones extremas del Ártico, obteniendo una deriva inferior a 20 mK para todos los termómetros. La robustez de las conclusiones derivadas de esta comparación se garantizó mediante el control de calidad aplicado a todos los datos. Se definió una pantalla de radiación de referencia y se compararon las demás pantallas con ella. La máxima diferencia encontrada entre una de las pantallas y la de referencia fue de 1,29 °C y se observó que como regla general, para todas las pantallas, la diferencia con respecto a la de referencia aumenta con la radiación solar y disminuye con la velocidad del viento. También se evaluó la incertidumbre asociada a la cuantificación de la diferencia entre pantallas, donde la dispersión de las mediciones es la fuente de mayor incertidumbre. Las incertidumbres oscilan entre 0,27 °C y 1,2 °C y, como regla general, la incertidumbre disminuye con la velocidad del viento. 

5. Conclusión 

La metrología desempeña un papel crucial en la evaluación y comprensión del cambio climático. La variación del clima está creciendo en intensidad y el número de fenómenos meteorológicos extremos son cada vez más virulentos y más frecuentes. En esta situación la metrología adquiere un papel aún más relevante, ya que las predicciones climáticas deberán basarse en series temporales más cortas de medidas y estas medidas requieren que cada vez tengan unas incertidumbres asociadas menores. La comunidad metrológica es consciente de estos hechos y esta adaptando su estructura a abordar las necesidades metrológicas en la meteorología y en el clima. El Centro Español de Metrología, a su vez, esta implicado en estas estructuras internacionales y desde el 2011 realiza actividades con objetivo de aplicar la metrología a la meteorología y el clima.  A través de mediciones precisas, trazables al Sistema Internacional de Unidades y con una evaluación realista de las incertidumbres asociadas se proporcionan los datos necesarios para monitorear los cambios en el clima, modelar futuros escenarios y formular políticas efectivas para la adaptación al cambio climático.  

References 

[1] Global Climate Observing System, GCOS, https://gcos.wmo.int/en/home. 

[2] Bojinski, S.; Verstraete, M.; Peterson, T.; Richter, C.; Simmons, A.; Zemp, M. The concept of Essential Climate Variables in support of climate research, applications, and policy. Bull. Am. Meteorol. Soc. 2014, 95, 1431–144, https://doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00047.1. 

[3] WMO-BIPM Workshop on Measurement Challenges for Global Observation Systems for climate Change Monitoring: Traceability, Stability and Uncertainty. https://www.bipm.org/en/bipm-workshops/wmo-bipm-workshop. 

[4] Report on the WMO-BIPM Workshop on Measurement Challenges for Global Observation Systems for climate Change Monitoring: Traceability, Stability and Uncertainty. https://www.bipm.org/documents/20126/27326318/RapportBIPM-2010-08.pdf/814f55b6-7643-b5e0-39f1-f8384b98e0d3. 

[5] WMO-BIPM Workshop Metrology for Climate Action. https://www.bipmwmo22.org/  

[6] Report on the WMO-BIPM Workshop Metrology for Climate Action https://www.bipm.org/en/publications/rapports-bipm 

[7] Red Europea de Metrología para el Clima y Observaciones de los Océanos (Euramet EMN COO. https://www.euramet.org/climate-and-ocean-observation. 

[8] Stakeholder Needs Report, December 2020. https://www.euramet.org/securedl/sdl-eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpYXQiOjE3MTk1ODYwMjcsImV4cCI6MTc1MTIwODQyNywidXNlciI6MCwiZ3JvdXBzIjpbMCwtMV0sImZpbGUiOiJNZWRpYS9kb2NzL0VNTnMvQ2xpbWF0ZU9jZWFuL2Nvb19kb2N1bWVudHMvU05SX0VNTl9DT09fVmVyc2lvbl8yMDIxLTAxLnBkZiIsInBhZ2UiOjE1NDJ9.9Re7rnzDkg1TvtI8IPY5aRucwOBBW7v_YDr9orI2la0/SNR_EMN_COO_Version_2021-01.pdf 

[9] Strategic Research Agenda, September 2022. https://www.euramet.org/securedl/sdl-eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpYXQiOjE3MTk1ODYwMjcsImV4cCI6MTc1MTIwODQyNywidXNlciI6MCwiZ3JvdXBzIjpbMCwtMV0sImZpbGUiOiJNZWRpYS9kb2NzL0VNTnMvQ2xpbWF0ZU9jZWFuL2Nvb19kb2N1bWVudHMvU1JBX0VNTl9DbGltYXRlX2FuZF9PY2Vhbl9PYnNlcnZhdGlvbl9WZXJzaW9uXzEuMC5wZGYiLCJwYWdlIjoxNTQyfQ.l1TFF6chuye0isIN-C9rTGxHRZT4n7SWFv-LFhi-g8k/SRA_EMN_Climate_and_Ocean_Observation_Version_1.0.pdf 

[10] Merlone A., Lopardo G., et al. “The MeteoMet project – metrology for meteorology: challenges and results”, Meteorological Applications, Volume 22, 1 December 2015, Pages 820-829 (2015), DOI: 10.1002/met.1528. 

[11]  Merlone, A., Sanna, F. et al “The MeteoMet2 project – Highlights and results”, 2018, Meas. Sci. Technol. 29 025802  Measurement Science and Technology, Volume 29, Number 2, 2018 https://doi.org/10.1088/1361-6501/aa99fc. 

[12] Izquierdo, C.G.; Hernández, S.; González, A.; Matias, L.; Šindelářová, L.; Strnad, R.; del Campo, D. Evaluation of the self-heating effect in a group of thermometers used in meteorological and climate applications. Meteorol. Appl. 2019, 26, 117–129. https://doi.org/10.1002/met.1746 

[13] Garcia Izquierdo, C.; Coppa, G.; Hernández, S.; Merlone, A. Metrological Evaluation of the Building Influence on Air Temperature Measurements. Atmosphere 2024, 15(2), 209; https://doi.org/10.3390/atmos15020209 

[14] WMO-Nº8 WMO Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observations, Part I, Chapter I, Annex 1D. 2021 Edition. Available online: https://library.wmo.int/idurl/4/68695 (accessed on 25 January 2024). 

[15] C. García Izquierdo, et al. “Traceable sea water temperature measurements performed by optical fibers”, Measurement, Volume 127, 2018, Pages 124-133, ISSN 0263-2241, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.05.056. 

[16]. C. García Izquierdo et al. “COAT project: Intercomparison of thermometer radiation shields in the Arctic”. En proceso de publicación en “Atmosphere”