INTRODUCCIÓN
En el siglo XVII inician las observaciones meteorológicas instrumentales propiamente dichas (Frisinger, 1977). El primero en indagar el contraste en los climas urbano/rurales mediante mediciones fue el químico londinense Luke Howard, quien publicó sus hallazgos en el libro The Climate on London en dos tomos (1818 y 1820) y en 1833 en una edición en tres tomos (Howard, 2006). Con datos higrotérmicos de Londres de 1797-1831, encontró que la temperatura ambiente en el centro urbano era más alta que en la periferia con una diferencia de 3.7 °C durante la noche y de aproximadamente 1 °C durante el día. En la actualidad a este fenómeno se le conoce como la isla de calor urbana (ICU), término empleado en la literatura por primera vez en alemán (städtische Wärmerinsel) por Peppler (1929) y casi dos décadas después lo retoman en inglés (urban heat island) Balchin y Pye (1947).
Oke et al. (2017) identifican cuatro tipos de ICU -sub-superficial, superficial, dentro del dosel urbano y por encima de este, en la capa límite-, pero solo las dos últimas ocurren en la atmósfera y a ellas se referirá el presente trabajo, sobre todo dentro del dosel urbano, donde se hicieron mediciones mediante recorridos en vehículo.
En la escala horizontal, Oke et al. (2017) identifican, de menor a mayor, tres escalas: la microescala (como una calle y sus edificios, con magnitudes de decenas a un par de cientos de metros); la escala local (de medio a un par de kilómetro), y la mesoescala, que abarca el área total de una ciudad. Los ejemplos que se mostrarán en este artículo están en las dos últimas escalas.
La ICU consiste en que los núcleos urbanizados suelen tener temperaturas más altas que sus alrededores. Este contraste térmico se debe principalmente a: 1) la sustitución del terreno natural y la cubierta vegetal por áreas pavimentadas y construcciones, que reducen la permeabilidad del suelo y con ello la evapotranspiración; 2) las propiedades térmicas y radiativas de los materiales de construcción; 3) la producción de calor antropogénico (transporte, sistema de climatización, servicios públicos, industrias, etc.) y 4) la geometría de calles y edificios, como los cañones urbanos, la reducción de la velocidad del viento, menor albedo y menor fracción de cielo visible (Oke, 1995; Oke et al., 2017).
Para Oke (1984), la climatología urbana estudia los procesos físicos y químicos que provocan cambios en el estado medio de la atmósfera en las ciudades. El Primer Simposio Internacional sobre Climas Urbanos y Edificaciones en 1968, promovido por la Organización Meteorológica Mundial (WMO, 1970), permitió reconocer la presencia de la ICU en distintas ciudades del mundo. Stewart (2011) señala que durante los 50 años previos a esa publicación se había estudiado la ICU en 225 ciudades, y Santamouris (2015, 2020) cuantifica 263 ciudades: 101 de Asia y Australia, 110 de Europa, 43 de América (incluyendo Latinoamérica) y 9 de África.
En México los trabajos sobre la ICU se inician propiamente alrededor de los 1970, pero destacan dos estudios aislados hacia finales de los siglos XVIII y XIX. En su estancia en la Nueva España entre 1790 y 1791, el naturalista guatemalteco Antonio Pineda llevó a cabo una serie de mediciones en el centro de Celaya, Guanajuato, donde observó que la temperatura variaba de 18 a 21.5 °C, mientras que en las afueras de la ciudad oscilaba de 17 a 18 °C (González, 1988). Cien años más tarde (1895-1896), con mediciones de temperaturas en observatorios meteorológicos, Manuel Moreno y Anda detectó en la Ciudad de México una diferencia de 1.4 °C entre el Palacio Nacional (urbano) y el Observatorio de Tacubaya, rural en aquellos años (Moreno y Anda, 1895).
Para la Ciudad de México, Riquelme (1968) utilizó mediciones termohigrométricas de equipos fijos ubicados en cuatro puntos (Balbuena, Industrial, Tacubaya y Ciudad Universitaria) y encontró una diferencia urbano/rural de 2 °C, que atribuyó a las construcciones y fábricas del centro de la ciudad en contraste con la vegetación de las afueras. Hacia 1968 y 1969, Jáuregui (1971), mediante recorridos móviles, muestreó al menos 80 puntos en la Ciudad de México, observando una diferencia térmica de 4 a 5 °C entre la “zona de mayor densidad de edificios” y los alrededores. A partir de estos dos estudios al presente se ha publicado alrededor de medio centenar de trabajos en torno a la ICU en el país, en promedio uno por año.
Para la determinación de la ICU en México se han aplicado tres métodos por separado o combinados: estaciones meteorológicas (por ejemplo, Tejeda y Acevedo, 1990; Moreyra-González et al., 2022), transectos móviles (por ejemplo, Jáuregui, 1971; Mercado, 2022) y la aplicación de la percepción remota (por ejemplo, García-Cueto et al., 2007; Galindo, 2009; Cui y De Foy, 2012; Colunga et al., 2015).
En este trabajo se presenta una primera aproximación a la intensidad y distribución espacial de la ICU en dos sitios: uno en la zona montañosa central y otro costero al sur, ambos del estado de Veracruz (México). Esta detección de la ICU, con mediciones térmicas de recorridos vehiculares, demuestra que aun en asentamientos humanos relativamente pequeños como Emiliano Zapata (20 000 habitantes, 3 km2) o uno sujeto a la circulación costera (Coatzacoalcos) es detectable este fenómeno.
MATERIALES Y MÉTODOS
El primero de los sitios que comprende este estudio, se ubica en el municipio costero de Coatzacoalcos, al sur del estado de Veracruz (México), y el segundo en la parte montañosa central del mismo estado, en el municipio de Emiliano Zapata (Figura 1).
Coatzacoalcos
El puerto de Coatzacoalcos se localiza en las llanuras de sotavento del estado de Veracruz, a unos 420 km en carretera de la ciudad de Xalapa, capital del estado (Figura 1a), entre los paralelos 18°03’ y 18°13’ N y 94°13’ y 94°39’ O, a 10 msnm. Es el tercer municipio más poblado de la entidad con aproximadamente 320 000 habitantes (97% urbanos) distribuidos en 310 km2 (SEDATU, 2020).
El municipio colinda al norte con el Golfo de México, y el río Coatzacoalcos lo divide en dos: al oeste se ubica el centro histórico y el recinto portuario; al este hay una urbanización reciente y un complejo petroquímico. Tiene un clima tropical húmedo del tipo Am en el sistema de Köppen-García (García, 1981), con 2580 mm de precipitación media anual, el 70% concentrada en el semestre mayo-octubre. La temperatura media anual es de 26 °C; en el mes de mayo se presenta el valor más alto de la temperatura máxima promedio de 32 °C (SMN, 2022; García, 1981) con una temperatura mínima promedio en enero de 19.6 °C. En la costa veracruzana, a escala sinóptica, dominan los vientos alisios en el verano y otoño, y los nortes en invierno, pero en ausencia de esos sistemas la circulación diaria está determinada sistemas de circulación locales, particularmente por las brisas marina diurna y terral nocturna (Tejeda-Martínez et al., 1989).
Emiliano Zapata
Se localiza entre las coordenadas 19°30’20”, 19°29’21” N y 96°51’44”, 96°50’38” O, en los límites este-sureste de la ciudad de Xalapa. Tiene una altitud entre 1142 y 1219 msnm y su extensión es de 3 km2. La habita una población de alrededor de 20 000 habitantes (Lino, 2019), distribuida en casas-habitación de carácter popular y residencial de una a dos plantas, más 12 edificios de cinco niveles (Figura 1b).
Su clima es templado subhúmedo, C(w1) en el sistema de Köppen-García (García, 1981), con temperatura media anual de 21 °C aproximadamente, la máxima promedio es de 28.5 °C que se presenta en los meses de abril y mayo; la temperatura mínima promedio es de 11.5 °C durante enero. De acuerdo con las normales climatológicas 1981-2010, la precipitación media es de 1509 mm anuales, el 75% ocurre entre mayo y octubre (Lino, 2019).
Método
Un método utilizado en el estudio de la distribución espacial de la temperatura ambiente dentro del dosel urbano consiste en recorridos del área urbana y su periferia haciendo mediciones de temperatura en puntos representativos de los diferentes tipos de superficie o usos del suelo. Si bien esta metodología data de hace casi un siglo, cuando Schmidt (1927) la empleó para estudiar el clima de la ciudad de Viena, Austria, y Peppler (1929) para la ciudad de Karlsruhe en Alemania,
en la actualidad sigue vigente utilizando diferentes medios de desplazamiento: vehículos automotores (Kim et al., 2019; Kousis et al., 2021; Jaiswal et al., 2023), bicicleta eléctrica o motoneta (Sun et al., 2019; Romero et al., 2021;), incluso caminando (Tsin et al., 2016; Pigliautile y Pisello, et al., 2018; Pioppi et al., 2020).
Los anteriores trabajos se realizaron con vehículos instrumentados exprofeso para mediciones de temperatura a nivel del dosel urbano. Recientemente se empiezan a utilizar los datos de temperatura obtenidos por los termómetros instalados de fábrica en automóviles (Anderson, et al., 2012; Mahoney y O’Sullivan, 2013; Bell, et al., 2021; Marqués, et al., 2022), desde luego mediante ajustes y correcciones resultantes de comparaciones con estaciones fijas y la aceptación voluntaria de los automovilistas, preservando su privacidad.
En México el método de recorridos o transectos por medio de automóvil instrumentado exprofeso se ha utilizado en 16 estudios distribuidos en nueve ciudades de los cuales únicamente uno es sitio costero, Tampico (Tabla 1).
Autor | Ciudad o entidad federativa |
Periodo de mediciones | Horario de mediciones |
Intensidad máxima de la ICU (°C) |
Jáuregui, 1971 | Ciudad de México | 1968-1969 | 4-6 y 21-23hrs | 4 - 5 |
Jáuregui, 1975 | Ciudad de México | 1970-1972 | Al amanecer y durante la noche | 5 |
Jáuregui, 1979 | Toluca | 2/02/1977 | 4-6 y 22:30- 24hrs | 4 - 5 |
Vidal y Jáuregui, 1991 | Toluca | Octubre/1990 | 23-2 hrs | 6 |
Cervantes et al., 2000 | Villahermosa | Junio-Agosto/ 1997 | 22hrs | 2.7 |
Cervantes et al., 2001 | Xalapa | Junio y octubre/1998 | 18hrs | 1.5-2.5 |
Evans y De Schiller, 2005 | Tampico | 6/06/2005 | 20-21hrs | 4 |
Fuentes, 2014 | Tampico | Enero-Agosto/ 2012 | 20-21hrs | 9.4 |
Rosas et al., 2016 | Tampico | 23/09/2015 | 9, 12, 15 y 18hrs | 2.5 |
Mercado y Marincic, 2017 | Hermosillo | 26, 29 y 30 de agosto/2015 | 8-9, 13-14 y 21-22 hrs | 11.5 |
Balderas, 2018 | Puebla | 28/02/1997 y 11/05/1998 | 3-6hrs | 3 |
Flores et al., 2018 | Torreón | 7/12/2016 | 9-17hrs | 4 |
Noh et al., 2018 | Puebla | No se especifica | 6-9, 12-15 y 18-21 hrs | 5 |
Rosas, 2019 | Zona Metropolitana de Tampico | 22/08/2016 | 20-22 hrs | 3 |
Sánchez et al., 2019 | Atlixco | Junio y octubre/2018 | No se especifica | 5.5 |
Mercado, 2022 | Hermosillo | 25/08/2015 y agosto/2020 | 9, 15 y 21hrs | 7 |
En este artículo se analizará la ICU a partir de dos campañas de recorridos con vehículos: la primera abarcó de junio a septiembre de 2012 en el sitio costero de Coatzacoalcos; la segunda, en el sitio montañoso de Emiliano Zapata de agosto a noviembre de 2018. Las características de los sitios y de las campañas de mediciones se detallan en la Tabla 2. En la Figura 1 se muestra la ubicación de los puntos de medición.
Coatzacoalcos | Emiliano Zapata | |
Ubicación | Costero | Montañoso |
Altitud (msnm) | 10 | 1219 |
Población (miles) | 320 | 20 |
Superficie (km2) | 310 | 3 |
Periodo de campaña | Junio a septiembre de 2012 | Agosto a noviembre de 2018 |
Días de mediciones | 18 | 10 |
No. de puntos de muestreo térmico móvil | 23 | 13 |
Trayecto de recorrido (km) | 32 | 9 |
Hora de inicio del muestreo móvil | 11 o 20 horas | 9 o 16:30 horas |
Para ambos trayectos se utilizaron vehículos de motor a gasolina. Los equipos de medición fueron calibrados antes de las campañas de mediciones y posteriormente instalados lo más lejos posible del motor para que el calor que emite no alterara las mediciones. Los sensores fueron programados para registrar cada minuto. En cada punto de medición se consideró un tiempo de espera de 10 minutos para estabilizar los sensores y se registró la temperatura correspondiente al minuto número 10; posteriormente se avanzó al siguiente punto, y así sucesivamente. En Coatzacoalcos se utilizó un HOBO U10-003 (Figura 2a) y en Emiliano Zapata (Figura 2b) una estación meteorológica portátil Kestrel 4500.
Las mediciones se efectuaron en los horarios indicados en la Tabla 2, para evitar las horas en que se presentan la temperatura mínima y la máxima, pues alrededor de ellas no es posible identificar una tendencia clara al enfriamiento nocturno o vespertino ni al calentamiento matutino, tendencia que es necesario conocer para emular mediciones simultáneas de las temperaturas, como se explicará más adelante. Además se evitaron las horas de mayor tránsito vehicular, coincidentes aproximadamente con las horas de ocurrencia de las temperaturas extremas diarias. No se realizaron recorridos nocturnos en Emiliano Zapata para evitar problemas de inseguridad.
En ambos sitios se hicieron correcciones a las temperaturas medidas: a) por la tendencia térmica durante los recorridos, y b) por diferencias altitudinales entre los puntos de medición.
Puesto que la primera y la última medición de cada recorrido se tomaron en el mismo punto cerrando un circuito, se obtuvo la tendencia térmica temporal durante el recorrido y fue aplicada para corregir las temperaturas de modo que sus valores se aproximaran a los que se habrían obtenido si las mediciones hubiesen sido simultáneas, con el procedimiento siguiente:
Donde:
T1 |
es la temperatura registrada en la primera medición. |
Tf |
es la temperatura registrada en última medición del recorrido. |
Tj |
es la temperatura registrada en el j-ésimo punto de medición. |
∆t |
es el tiempo transcurrido en minutos entre la primera y la última medición. |
∆tj |
es el tiempo transcurrido en minutos entre la primera y la j-ésima medición. |
También se aplicó una corrección por altitud (∆Z) para eliminar el efecto del gradiente vertical de temperatura:
Donde Zx es la altitud mayor de todas las estaciones
termohigrométricas móviles y Z es la altitud registrada en cada una
de las estaciones;
A cada dato de temperatura proveniente de los recorridos se le aplicó el ajuste por altitud y el ajuste por la tendencia térmica temporal.
La información se integró en el Sistema de Información Geográfica QGis 3.22. Para la representación espacial térmica se seleccionó el método de interpolación Kriging ordinario, debido a la confiabilidad que se le ha atribuido en diversos trabajos (por ejemplo, Appelhans et al., 2015; Shtiliyanova et al., 2017; Yadav y Sharma, 2018).
Uno de los elementos meteorológicos que pueden interferir en el desarrollo de la ICU es la intensidad del viento cuando supera una velocidad crítica (V crit en m/s), que Oke (1976) propuso como función del número de habitantes (P) en ciudades de Estados Unidos:
A falta de una parametrización adecuada a ciudades de México o de la zona de estudio, se usó la expresión anterior. Las V crit , calculadas para Coatzacoalcos y Emiliano Zapata fueron de 10.1 m/s y 6.4 m/s, respectivamente. Con datos de vientos del observatorio del Servicio Meteorológico Nacional localizado en Xalapa, para Emiliano Zapata, y de Coatzacoalcos, se comprobó que para las fechas y horas de los recorridos no se superó el valor de la V crit , con valores de 6 y 4.3 m/s, respectivamente, por lo que los datos de temperatura obtenidos en este trabajo son representativos de la ICU.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se realizaron 18 y 10 recorridos para los sitios costero y montañoso, respectivamente. Se consideraron diversas condiciones meteorológicas, por ejemplo, cielos despejados, parcialmente nublados, previo a un frente frío o a una onda tropical.
Para identificar la intensidad de la ICU se utilizó la propuesta de Fernández-García (1995, p. 264): isla débil (menor a 2 ºC), moderada (entre los 2 ºC y por debajo de 4 ºC), fuerte (entre 4 ºC y 6 ºC) y muy fuerte (por arriba de 6 ºC).
Sitio costero
De junio a septiembre de 2012, en la ciudad de Coatzacoalcos ,se realizaron 18 recorridos, 3 durante el día y 15 en la noche, con un trayecto aproximado de 32 kilómetros cada uno y una duración en promedio de dos horas treinta minutos, siguiendo una dirección de oeste a este partiendo del malecón de la ciudad, paralelo a la línea de costa, pasando por la zona turística y comercial, la zona habitacional e histórica y la periferia, para finalmente retornar al punto de partida.
De los 18 recorridos, once ICU se catalogaron con intensidad débil, mientras que cinco de intensidad moderada (Figura 3), tres de ellos ocurrieron en recorridos diurnos. Además, dos casos de intensidad muy fuerte con 7 °C (3 de agosto 2012) y 8.7 °C (31 de julio 2012). Si bien se trata de una muestra pequeña (18 recorridos) es de notar en la Figura 3 la relación directa entre la temperatura media de cada recorrido y la intensidad de la ICU, con un coeficiente de correlación lineal de 0.76.
En la Figura 4 se muestra un segmento del trayecto diurno donde se aprecia notablemente el perfil térmico de acuerdo al uso de suelo, iniciando en el Malecón, pasando por el Parque Central Miguel Hidalgo, ubicado en el centro de la ciudad de Coatzacoalcos, llegando a la zona céntrica y comercial y terminando a los alrededores de amplios espacios con vegetación (Club Campestre, estadios de béisbol y futbol y una zona boscosa de instalaciones de PEMEX). Se destaca la diferencia de 4.2 °C de temperatura entre la zona comercial y las afueras del Parque Central a una distancia en la horizontal de alrededor de 500 metros.
Los mapas de isotermas de la Figura 5 indican que las mayores intensidades de la ICU pueden presentarse tanto durante el día como durante la noche. Se aprecia que durante el día en los sectores urbanos con actividades comerciales y de servicios, se localizan los puntos más cálidos, mientras que en las noches son más fríos. La diferencia térmica en la noche alcanza los 3 °C.
Sitio montañoso
Se debe recordar que el municipio de Emiliano Zapata se sitúa en la periferia de Xalapa, y que durante la última década ambos han tenido un crecimiento inmobiliario tal que se han conurbado.
Durante la última parte del verano y el otoño de 2018 se realizaron un total de 10 recorridos diurnos; la mitad empezando a las 9 horas y la otra, a las 16:30 horas. Aplicando los criterios de Fernández-García (1995), se tiene que en todos los casos la intensidad de la ICU es débil, con las intensidades máximas de la ICU diurna los días día 3 y 19 de septiembre de 2018, con 1.9 °C y 1.7 °C, respectivamente (Figura 6). El día 3 de septiembre estuvo parcialmente nublado con periodos prolongados de sol, previo a la entrada de la onda tropical número 35 de ese año, mientras que para el día 19 de septiembre, se presentó un sistema de alta presión en el Golfo de México (PC-CEEC, 2021)
Ambos casos presentan una configuración concéntrica donde las máximas temperaturas se registraron en los fraccionamientos Bugambilias y La Pradera, los cuales tienen una mayor densidad de población y una mayor infraestructura comercial que el resto de los sectores monitoreados. El “sector frío” se ubica en la parte sureste del sitio de estudio, en el fraccionamiento Cascadas, cuya densidad de población y área construida es menor al resto del área estudiada, con la presencia de una zona boscosa.
La Figura 7 muestra la temperatura media de cada recorrido y la intensidad de la ICU; la temperatura más alta fue de 25.6 °C el 13 de septiembre de 2018 y el de más baja el 28 de noviembre con 17.7 °C. No obstante, las intensidades de la ICU variaron muy poco de 1.2 a 1.9 °C, de modo que, a diferencia de Coatzacoalcos, la correlación lineal entre temperaturas de los recorridos y la intensidad de la ICU es muy baja, de apenas 0.30.
CONCLUSIONES
El presente trabajo se suma a una serie de publicaciones recientes que muestran que la técnica de recorridos para detectar la ICU sigue vigente, ya sea utilizando vehículos automotores (Kim et al., 2019; Kousis et al., 2021; Jaiswal et al., 2023), bicicleta o motoneta (Sun et al., 2019; Romero et al., 2021), o caminando (Tsin et al., 2016; Pigliautile y Pisello, et al., 2018; Pioppi et al., 2020). Además, se empiezan a utilizar los datos de temperatura obtenidos por los termómetros instalados de fábrica en automóviles (Anderson, et al., 2012; Mahoney y O’Sullivan, 2013; Bell, et al., 2021; Marqués, et al., 2022). Como se mostró en la Tabla 1, en México el método de recorridos se ha utilizado en 16 estudios distribuidos en nueve ciudades, solo una de ellas costera (Tampico) demás de Coatzacoalcos.
De los resultados se infiere que el tipo de superficie, los sistemas meteorológicos presentes durante las mediciones y el tamaño de la urbanización son determinantes en la intensidad de la ICU dentro del dosel urbano.
En el sitio costero un anticiclón parece favorable para el desarrollo de la ICU, no así en situaciones de perturbaciones meteorológicas importantes que inducen que la ICU sea de carácter débil (diferencias térmicas menores a los 2 °C).
En este sitio en el litoral en los trópicos, con una densidad de población de 1000 habitantes/km2, se encontró una ICU diurna hasta de 8.7 °C, y la ICU nocturna puede alcanzar una diferencia térmica de 3 °C.
Aun cuando el sitio montañoso, Emiliano Zapata, tiene un área y población 10:1 respecto al sitio costero, sí presenta ICU. Para este segundo caso, la ICU se corresponde con lo señalado en la literatura, con una mayor temperatura en la zona urbana céntrica, en las localidades de La Pradera y Jacarandas, en comparación con sus alrededores donde predominan áreas con vegetación. La intensidad es débil en promedio de 1.5 ºC.
Las intensidades máximas de la ICU aquí mostradas no se corresponden con la estimación estadística propuesta por Tejeda-Martínez y Jáuregui-Ostos (2004) para ciudades latinoamericanas:
que al aplicarla a Emiliano Zapata (20 000 habitantes) arroja una ICU máxima de 0.61 °C y de 3.0 °C para Coatzacoalcos (320 000 habitantes), cuando los resultados experimentales son tres veces mayores. Quizás la explicación de este comportamiento se encuentre en los altos porcentajes de áreas construidas. En Emiliano Zapata el 75% es de uso habitacional, 3% de uso industrial, 6% se encuentra en construcción y el 16% de áreas verdes (Lino, 2019); para el caso de Coatzacoalcos, específicamente para el área urbanizada, el uso residencial cubre el 68.3%; uso comercial y de equipamiento, el 18%; áreas verdes, el 4.2%; predios vacantes, un 5.7% y el uso de suelo mixto, el 3.8% (BID, 2019).
También debe tomarse en cuenta que la ecuación 4 es válida para las intensidades máximas de la ICU en la capa límite, y las mediciones mediante recorridos corresponden claramente al interior del dosel urbano.
Se debe reconocer que el análisis de solo la temperatura del aire es limitado, porque hay muchos otros factores que influyen en la génesis y evolución de la ICU, como el viento y la humedad atmosférica, así como las emisiones de calor antropogénico.
Con base en los resultados y la experiencia obtenida en el desarrollo de este trabajo, se recomienda continuar con las mediciones para ampliar el periodo de estudio de la ICU y durante otras épocas del año, a fin de tener una caracterización más detallada. Si bien los recorridos han demostrado ser un método útil para mediciones de la ICU dentro del dosel urbano, la ubicación de una red relativamente densa de estaciones fijas sobre azoteas podría ahondar el análisis, y así tener al menos dos niveles de detección de la ICU; las imágenes satelitales en infrarrojo podrían complementar el análisis para obtener una representación del fenómeno en tres niveles.