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Ciencias marinas
versão impressa ISSN 0185-3880
Cienc. mar vol.49 Ensenada Jan./Dez. 2023 Epub 08-Dez-2023
https://doi.org/10.7773/cm.y2023.3358
Artículos
Clasificación de los vientos de Santa Ana para la evaluación de su potencial eólico en La Rumorosa, Baja California, México
1
*
http://orcid.org/0000-0002-4522-2294
1
http://orcid.org/0000-0002-9241-6374
2
http://orcid.org/0000-0003-4594-2600
3
http://orcid.org/0000-0002-5894-3023
4
http://orcid.org/0000-0002-6135-4924
1
http://orcid.org/0000-0001-5863-8865
1
http://orcid.org/0000-0003-4897-8270
1Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, 21280 Mexicali, Baja California, Mexico.
2Instituto de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, 21280 Mexicali, Baja California, Mexico.
3Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de México, 62580 Temixco, Morelos, Mexico.
4Tecnológico Nacional de México, Campus Mexicali, 21376 Mexicali, Baja California, Mexico.
La región de La Rumorosa, localizada en el noroeste de México, se caracteriza por sus fuertes velocidades en la magnitud del viento a nivel local, lo que ha originado la instalación de parques eólicos. En esta zona, no se conoce de forma precisa la contribución de energía eléctrica eólica de los vientos de Santa Ana (VSA), que son parte del régimen de viento regional. Además los vientos de valle-montaña, los frentes fríos, las tormentas extratropicales y otros fenómenos meteorológicos, en conjunto, contribuyen a la totalidad de energía eléctrica generada. Por ello, este estudio se centra en clasificar, por un periodo temporal de 10 años (2005-2014), los eventos de VSA considerando las categorías: “débil”, “moderado” y “fuerte”. En el análisis se aplicaron criterios asociados a los parámetros de la magnitud de la velocidad promedio del viento, el gradiente de presión adimensional y la normalización de valores de presión, magnitud de la velocidad de ráfaga y magnitud de la velocidad promedio del viento. La clasificación propuesta proporciona información sobre el comportamiento de los VSA en la zona y, por ende, su contribución en la generación de energía eólica en La Rumorosa.
Palabras clave: vientos de Santa Ana; categorías; energía eólica
La Rumorosa region, located in northwestern Mexico, is characterized by intense local wind speeds, which led to the installation of wind farms. In this area, the contribution of wind power from the Santa Ana winds (SAWs), which are part of the regional wind regime, is unknown. In addition, the valley-mountain winds, cold fronts, extratropical storms, and other meteorological phenomena contribute to the totality of wind power production. For this reason, this study focused on classifying SAW events over a period of 10 years (2005-2014) considering the following categories: “weak,” “moderate,” and “strong.” The criteria for the analysis were associated with the average wind velocity magnitude, the dimensionless pressure gradient, and the normalization of pressure values, gust magnitude, and average wind velocity magnitude. The proposed classification provides information on the behavior of SAW in the area and, by extension, their contribution to wind power generation in La Rumorosa.
Key words: Santa Ana winds; categories; wind power
INTRODUCCIÓN
Los vientos de Santa Ana (VSA) son vientos desérticos tipo foehn que se presentan de manera estacional en el sur de California, Estados Unidos, y en el norte de Baja California, México, generalmente dirigidos desde el noreste o el este (Glickman y Zenk 2000). Los vientos soplan con gran magnitud y fuertes ráfagas, que fluyen hacia abajo de las montañas y mesetas (Conil y Hall 2006). La región presenta una topografía compleja, incluso amplias cadenas montañosas, llanuras costeras bajas y mesetas desérticas altas (Castro et al. 2006). Por otro lado, los VSA tienen importantes implicaciones en el patrón de corrientes costeras (Navarro-Olache et al. 2020) y en la entrada de polvo mineral y sus aportes asociados de hierro y manganeso a las aguas costeras del Sistema de la Corriente de California y el golfo de California, que promueven la productividad primaria (Félix-Bermúdez et al. 2017, Álvarez y Carbajal 2019, Álvarez et al. 2020).
La temporada de eventos de VSA comienza en septiembre y finaliza en abril; un sistema superficial de alta presión sobre la Gran Cuenca y un sistema de baja presión en alta mar en el sur de California inducen un gradiente de presión sinóptico que impulsa vientos en la superficie desde el cuadrante noreste (Jones et al. 2010). El promedio aproximado es de 20 eventos por periodo (desviación estándar: 5) (Raphael 2003). Se han observado velocidades en la superficie con magnitud promedio del viento entre 28 y 56 km·h-1 (15-30 nudos) (Small 1995), que corresponden a rangos en la magnitud del viento propicias para la generación de energía eólica, además de valores que exceden los 25 m·s-1 en la magnitud de velocidades ráfagas (56 millas por hora) (Sommers 1978, Trasviña et al. 2003, Bytnerowicz et al. 2010). La ocurrencia de eventos es frecuentemente mayor durante otoño e invierno que durante primavera y verano, con un máximo de actividad en diciembre y enero (Jones et al. 2010). Sommers (1978) mencionaron que la ocurrencia era desde octubre hasta mayo. De acuerdo con lo descrito por Raphael y Finley (2007), no se ha registrado ningún evento Santa Ana entre junio y agosto, debido a los patrones del sistema de alta presión del Pacífico situado al oeste de California.
Los eventos de VSA han sido objeto de estudio desde hace varios años debido a sus diferentes impactos en la frontera de Baja California, México, y California, Estados Unidos (Castro et al. 2003, Hu y Liu 2003, Raphael 2003, Trasviña et al. 2003, Westerling et al. 2004, Sosa-Ávalos et al. 2005, Conil y Hall 2006, Miller y Schlegel 2006, Hsu et al. 2007, Hughes et al. 2009, Bytnerowicz et al. 2010, Hughes y Hall 2010, Jones et al. 2010, Jin et al. 2014, Langford et al. 2015, Hatchett et al. 2018, Álvarez et al. 2020, Gershunov et al. 2021, Serpa-Usta et al. 2021). Dentro de la región de impacto de este fenómeno, se encuentran, a un costado del océano Pacífico, áreas altamente urbanizadas, importantes zonas agrícolas, bosques y desiertos (Castro et al. 2006).
Los VSA se presentan en la región de La Rumorosa, caracterizada como un sitio con un extraordinario potencial para la generación de energía eólica. Un estudio del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada indica que, en la zona, la presencia de los eventos de VSA incrementan la magnitud de la velocidad promedio del viento (CICESE 2003). Durante los primeros 5 años de operación del parque eólico La Rumorosa I, se analizó la presencia de los eventos de VSA en una turbina eólica, y la generación eléctrica promedio anual de esa turbina fue del 16% en 2011 (Zamora 2016). Actualmente, en la región de La Rumorosa, existen 52 aerogeneradores en operación en 2 parques eólicos, y se planea que se instalen aún más en el futuro (NADB 2013, CEE 2017).
De acuerdo con Rolinski et al. (2019), el criterio para definir los VSA depende tanto del tema de interés con respecto al fenómeno (por ejemplo, incendios forestales catastróficos) como de su variabilidad espaciotemporal. Las variables para definir los VSA son su magnitud de velocidad, dirección, gradiente local de presión, temperatura y humedad relativa (Raphael 2003).
En este trabajo, se realiza una clasificación de los VSA para el sitio de La Rumorosa debido a sus condiciones favorables para el aprovechamiento de la energía eólica.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para este estudio, se analizaron datos de la magnitud de velocidad del viento, magnitud de la velocidad de ráfaga y dirección del viento, así como datos de la humedad relativa y la presión atmosférica local medidas en superficie, en un lapso de 10 años (de 2005 a 2014), en periodos medidos en intervalos de 10 min a una altura de 10 m sobre el nivel del suelo. Los datos de 2005 a 2014 de la estación meteorológica en La Rumorosa fueron obtenidos por solicitud formal a la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA, México), con un 2% de datos faltantes; adicionalmente, se pueden consultar en línea los datos correspondientes a los últimos 90 días (CONAGUA 2022). En la Tabla 1, se muestran las características geográficas de la estación meteorológica de La Rumorosa (CONAGUA 2022), y en la Figura 1 se muestra la ubicación geográfica de la estación. Además, se obtuvieron los valores de presión atmosférica local y el valor de presión atmosférica correspondiente al centro de alta presión formado en la Gran Cuenca para cada evento registrado a partir de los mapas sinópticos de la Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés) de los Estados Unidos (NWS 2007).
Tabla 1 Características geográficas de la estación meteorológica.
| Automatic weather station | Latitude (north) | Longitude (west) | Elevation (meters above sea level) |
| La Rumorosa | 32°16′20.00″ | 116°12′20.00″ | 1,262 |
Figura 1 Localización geográfica de la estación meteorológica de La Rumorosa en la zona norte de Baja California, México (INEGI 2022). Metros sobre el nivel del mar: m.a.s.l., por sus iniciales en inglés.
Área de estudio
Se seleccionó La Rumorosa para el estudio de eventos de VSA por la disponibilidad de las mediciones de superficie en sitio y, además, por la información contenida en estudios que demuestran la ocurrencia en el sur de California (Sommers 1978, Small 1995, Raphael 2003, Keeley et al. 2004, Castro et al. 2006, Conil y Hall 2006, Hughes y Hall 2010, Jones et al. 2010, Ackerman y Knox 2011, Abatzoglou et al. 2013, Cao y Fovell 2013, Fovell y Cao 2017). Se realizó una comparación de los datos correspondientes a las estaciones cercanas, como Tijuana, Ensenada y Mexicali, y se encontró que las lecturas capturadas en la estación de La Rumorosa registran la presencia de los eventos de VSA con mayor frecuencia que aquellas en las otras estaciones.
Categorías para la evaluación de los vientos de Santa Ana
El conjunto (1) pertenece a todos los datos considerados como VSA provenientes de la estación meteorológica de La Rumorosa. El resultado se verificó a través de la formación del centro de alta presión de la Gran Cuenca en los mapas de análisis de superficie (NWS 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013):
donde V t es la magnitud de la velocidad del viento, v(∆t i ) es la magnitud de la velocidad del viento en metros por segundo, θ(∆t i ) es la dirección del viento en grados sexagesimales, hr(∆t i ) es la humedad relativa en porcentaje, t i + a es el límite superior del intervalo de tiempo, t i es el límite inferior y ∆t i es un intervalo de tiempo superior a 3 h.
Una vez filtrados los datos, se realizaron diferentes clasificaciones tomando como referencia los datos obtenidos a través de la estación meteorológica y del centro de alta presión formado en la Gran Cuenca. Se identificaron eventos de acuerdo con esta clasificación en el mismo día, hasta en 2 ocasiones, y por el tratamiento de la información, se presentaron en función de la cantidad total de tiempo de los eventos de Santa Ana; es decir, sí para el año 2005 se contabilizaron un total de 22 eventos, con el análisis en tiempo, sería la presencia de 12 días de VSA en el año.
(a). Clasificación basada en la magnitud de la velocidad promedio del viento con 2 categorías distintas
A la muestra de VSA identificados con el conjunto (1) se le aplicó la clasificación utilizando rangos de la magnitud promedio del viento (Datos 1: rangos de 5 en 5 m·s-1) de acuerdo con el índice regional de VSA (SAWRI, por sus siglas en inglés) de Guzman-Morales et al. (2016), el cual comprende VSA débiles, <5 m·s-1; VSA moderados, 5-10 m·s-1; y VSA extremos (10-15 m·s-1). Además, se usó la categoría utilizada para el modelo del Laboratorio de Propulsión a Chorro aplicado por la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA, E.E. U.U.) en QuickScat Project (2003), con valores de 4-6 m·s-1 para débil, 6-8 m·s-1 para moderado y >8 m·s-1 para fuerte (Datos 2: rangos de 2 en 2 m·s-1).
(b). Análisis adimensional basado en la presión atmosférica, la densidad del aire y el valor máximo de la magnitud de la velocidad del viento
El objetivo de la clasificación adimensional fue relacionar las variables de presión, magnitud de la velocidad del viento y densidad del aire para todos los eventos de VSA y presentar una comparación para vientos “débiles”, “moderados” y “fuertes”. Esta clasificación se realizó utilizando el parámetro adimensional, I D (ecuación 2), derivado de la ecuación de momento, y se calculó de la siguiente manera:
donde P H es el valor mostrado de la presión en el centro de alta presión sobre la Gran Cuenca de los mapas sinópticos, P local es el valor de presión atmosférica registrado en la zona de La Rumorosa en los mapas sinópticos de la NOAA, D es la distancia obtenida a través de Google Earth entre los puntos P H y P local , V ráfaga es la magnitud de la velocidad de ráfaga, V i,medio es la magnitud de la velocidad promedio del viento y t e es la duración del evento (valores medidos en la superficie de La Rumorosa por CONAGUA). La densidad del aire, ρ, fue obtenida con valores de superficie de CONAGUA mediante la siguiente ecuación:
donde P local,m es la presión máxima local durante un evento, R es la constante del gas ideal, cuyo valor es de 0.2870 kPa∙m3·(kg∙K)-1, y T es la temperatura promedio máxima registrada en todos los eventos por año.
(c). Clasificación utilizando la normalización en la magnitud de la velocidad promedio, la magnitud de la velocidad de ráfaga y el gradiente de presión
De la muestra de los eventos de VSA obtenidos con el conjunto (1), se normalizaron el promedio de la magnitud de la velocidad del viento, la magnitud de la velocidad de ráfaga de viento (medida en superficie por CONAGUA) y el gradiente de presión para obtener una clasificación “débil”, “moderada” y “fuerte”. El gradiente de presión se normalizó utilizando la siguiente ecuación:
donde
Considerando el parámetro I D como lineal y dividido en 3 intervalos, así como la clasificación adimensional (inciso b) y la clasificación de normalización (inciso c), se propusieron VSA débiles para valores de 0.00-0.33, VSA moderados para valores de 0.33-0.66 y VSA fuertes para valores de 0.66-1.00.
RESULTADOS
La clasificación de los eventos de VSA que se obtuvo al aplicar los criterios definidos previamente sobre el conjunto (1) se presenta en la Figura 2. Los resultados muestran un valor acumulado de 20 ± 4 d de VSA por año. Además, se observó que en enero se presentaron los eventos de VSA con mayor duración en cada uno de los años estudiados. También, se identificó que, en los años 2008, 2011 y 2014, existieron eventos en mayo que concuerdan con lo reportado en el estudio de Hsu et al. (2007).
Figura 2 Días con eventos de vientos de Santa Ana (SAW, por sus siglas en inglés) en la estación meteorológica de La Rumorosa durante el periodo 2005 a 2014, con datos del conjunto (1).
En la Figura 3 se identificó el comportamiento de los VSA en el periodo de estudio, con un mínimo de 12 d en 2005 y un máximo de 29 d en 2008. En la Figura 4 se presenta la clasificación basada en la magnitud de la velocidad promedio del viento (m·s-1) con la categoría de 2 en 2 m·s-1, y se muestra como “débil” (4 a 6 m·s-1), “moderada” (6 a 8 m·s-1) y “fuerte” (>8 m·s-1), según los rangos de QuickScat Project (2003).
Figura 3 Días de vientos Santa Ana (SAW, por sus siglas en inglés) por año en la estación meteorológica automática La Rumorosa.
Figura 4 Clasificación de los eventos de vientos Santa Ana (SAW, por sus siglas en inglés) en La Rumorosa, con los rangos de la magnitud de la velocidad del viento de 2 en 2 m·s-1 de QuickScat Project (2003).
Se compararon los resultados para las clasificaciones de eventos de VSA utilizando las diferentes variables propuestas en las clasificaciones mencionadas en la sección de Materiales y métodos (Tabla 2). En la Figura 5 se presenta una gráfica con los datos normalizados de la magnitud de la velocidad promedio del viento, la magnitud de la velocidad de ráfaga y el gradiente de presión para todos los eventos de VSA registrados en el periodo de 2005 a 2014. En este análisis para identificar la relación entre las variables de presión y magnitud de la velocidad promedio del viento en La Rumorosa, se observó que a mayor valor del gradiente de presión, mayor magnitud de velocidad promedio del viento. Se muestra el gráfico del comportamiento de las variables en presencia de los VSA por año en función de la velocidad de la ráfaga.
Tabla 2 Comparación de los resultados de la clasificación de los vientos Santa Ana en La Rumorosa.
| Classification | Weak | Moderate | Strong | |
| (a) | Class range classification using the average wind speed magnitude from Guzman-Morales et al. (2016). Vm (m∙s-1): <5, 5-10, 10-15 | 7.79% | 91.88% | 0.32% |
| Class range classification using the average wind speed magnitude from QuickScat Project (2003). Vm (m∙s-1): 4-6, 6-8, >8 | 42.10% | 47.20% | 10.70% | |
| (b) | Dimensionless classification (equation 2) <0.33, 0.33-0.66, >0.66 | 37.93% | 47.93% | 14.14% |
| (c) | Normalized wind speed magnitude classification (equation 4) <0.33, 0.33-0.66, >0.66 | 32.76% | 57.24% | 10.00% |
DISCUSIÓN
La metodología propuesta sustentada en estudios regionales previos permite seguir un modelo empírico basado en mediciones de superficie y apoyado con mapas de escala sinóptica, lo que contribuye significativamente al entendimiento de la dinámica atmosférica local en la zona norte de Baja California, México.
La clasificación obtenida en este estudio puede servir de base para establecer una relación entre los VSA y su efecto en la productividad primaria en el golfo de California y la región costera de la corriente de California en las áreas de influencia de los VSA.
Esta información puede ser utilizada por empresas que hayan instalado aerogeneradores en la zona de La Rumorosa para sus fines operativos durante la presencia de los VSA, que, de acuerdo con nuestros resultados, su mayor incidencia es durante enero.
Según los estudios revisados, los eventos de VSA son vientos con ocurrencia de septiembre a abril, con mayor frecuencia en diciembre. Sin embargo, en este trabajo, identificamos que este fenómeno también sucedió en mayo en los años 2008, 2011 y 2014.
En la clasificación propuesta para los eventos de VSA en La Rumorosa, la magnitud de la velocidad de ocurrencia considerada fue de 4 m·s-1. Los eventos de VSA se comportan de manera similar a los referidos en estudios en el sur de California, en sus variables de dirección del viento, humedad relativa y presión atmosférica, a excepción de la magnitud de la velocidad del viento en La Rumorosa que alcanza sólo hasta el 14% de eventos fuertes (clasificación b).
Los resultados sobre la clasificación de los vientos presentados en la Tabla 2, a excepción del rango de 5 en 5 m·s-1, difieren para las categorías de VSA del 4% al 9% para débil, del 1% al 10% para moderado y del 1% al 4% para fuerte. Entre el 86% y 90% de las clasificaciones son VSA débiles y moderados, y del 58% al 67% son moderados y fuertes, los cuales impactan directamente en la generación de energía eólica eléctrica a través de los aerogeneradores colocados en la región.
Lo anterior confirma que la presencia de los eventos de VSA aumenta el potencial eólico disponible en la región de La Rumorosa. De acuerdo con un estudio previo, la producción de energía eólica asociada con dichos eventos de VSA para el año 2012 representó el 10% de la producción eólica total en una turbina del parque eólico La Rumorosa I (Zamora 2016).
Con base en los resultados obtenidos, se estima que los eventos de VSA llegan a esta región de Baja California con menor fuerza. Esto puede atribuirse a obstáculos naturales, como montañas y terrenos irregulares, que disminuyen su velocidad en su camino hacia la costa del Pacífico. Comprender la dinámica de estos vientos es imprescindible debido al crecimiento en el sector energético proyectado para La Rumorosa, es decir, dada la futura instalación de parques eólicos y la operación de los actuales (NADB 2013, CEE 2017, IEnova 2022). En consecuencia, conocer el comportamiento y ocurrencia de estos vientos permite a las plantas de energía eólica tomar decisiones de gestión y proyección.
La metodología utilizada en el presente estudio podría aplicarse a otras regiones influenciadas por los VSA, tales como la región fronteriza entre Baja California y el Sur de California, donde existen parques eólicos en ambos lados de la frontera; en los Municipios de Ensenada y Tecate en México; y en los condados de Imperial, San Diego y Riverside en Estados Unidos. En este último se encuentra una de las zonas más importantes en la generación de energía eólica, la zona de Palm Springs. Por lo que la relevancia de este estudio para entender la dinámica de los vientos y su aporte energético radica en procesar la información de las bases de datos para obtener los modelos matemáticos de predicción de la energía eólica a corto plazo.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la Comisión Nacional del Agua (México) la obtención de datos meteorológicos para el estudio, así como a la Universidad Autónoma de Baja California.
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Recibido: 19 de Abril de 2022; Aprobado: 04 de Noviembre de 2022
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