Análisis de los datos de Evapotranspiración de Referencia reportados por la Red Agrometerológica de INIA

Contexto:

La red Agrometeorología de INIA reporta datos climáticos para distintas variables a intervalos anuales, mensuales, diarios u horarios. Además de reportar los datos medidos en sus estaciones, pone a disposición de los usuarios conjuntos de datos calculados a partir de distintos modelos ambientales. Uno de estos conjuntos de datos es la evapotranspiración de referencia (ET0), calculada de acuerdo al modelo propuesto por FAO.

Problema:

Varios usuarios de la red de Agrometeorología de INIA indican que los valores calculados de evapotranspiración de referencia no concuerdan con lo que es posible estimar a partir del algoritmo de FAO.

Pregunta:

¿Estará bien implementado el algoritmo de FAO en la plataforma de INIA?

Metodología:

Se propone implementar el algoritmo de FAO y validarlo contra una estación externa a la red de INIA que sea confiable. Validado el algoritmo, se propone utilizarlo para predecir ET0 con los datos de una estación de INIA y comparar los valores predichos por él contra los valores calculados por INIA:

1. Implementar el algoritmo de FAO para el cálculo de ET0 a escala diaria en PHP.
2. Buscar una estación de referencia, que esté fuera de la red y que reporte, además de los datos climáticos, valores calculados de ET0.
3. Comparar los valores predichos por el algoritmo implementado y los valores reportados por la estación de referencia.
4. Utilizar el algoritmo para determinar ET0 de acuerdo a los datos climáticos entregados por la red de Agrometeorología.
5. Comparar los valores predichos por el algoritmo implementado y los valores reportados por la red de INIA.

El archivo ejecutable run.sh realiza estos pasos.

Detalles:

Software utilizado

• Linux L0809 5.10.0-18-amd64 #1 SMP Debian 5.10.140-1 (2022-09-02) x86_64 GNU/Linux
• GNU bash, version 5.1.4(1)-release (x86_64-pc-linux-gnu)
• PHP 7.4.30 (cli) (built: Jul 7 2022 15:51:43) ( NTS )
• GNU Awk 5.1.0, API: 3.0 (GNU MPFR 4.1.0, GNU MP 6.2.1)
• R version 4.0.4 (2021-02-15) -- "Lost Library Book"

Algoritmo

Se implementó el algoritmo propuesto por FAO como una clase en PHP. La clase se llama METEO_DATA y tiene los siguientes valores de iniciación:

$MD = new METEO_DATA (
		array $latitud, 
		array $altitud,
		array $albedo,	
		array $fecha, 
		array $radiacion_solar, 
		array $temp_min, 
		array $temp_max, 
		array $humedad_relativa, 
		array $velocidad_del_viento
) 

Al iniciarse, el objeto realiza todos los cálculos para determinar ET0 y almacena los valores intermedios (radiación neta, neta de onda corta, de onda larga, etc) en una colección asociativa (Data).

La clase tiene los siguientes atributos públicos:

$MD->Latitud;
$MD->Altitud;
$MD->Data;

Data corresponde a una colección asociativa 2D que comprende las siguientes colecciones indexadas:

• "Fecha"
• "Radiación solar"
• "Temperatura mínima"
• "Temperatura máxima"
• "Humedad relativa media"
• "Velocidad del viento"
• "Radiación extraterrestre"
• "Radiación solar día despejado"
• "Radiación neta solar"
• "Presión de vapor a saturación"
• "Presión real de vapor"
• "Radiación neta de onda larga"
• "Radiación neta"
• "Déficit de presión de vapor"
• "Pendiente presión de vapor vs temperatura"
• "Flujo de calor del suelo"
• "Evapotranspiración de referencia"

La clase solo tiene un método público que devuelve una colección con los valores calculados de ET0 ($MD->Data["Evapotranspiración de referencia"])

$MD->print () : array

Estación de referencia

La confianza es algo relativo a las experiencias del sujeto. Al respecto, yo creo en la seriedad y validación del trabajo que realiza The United States Geological Survey (USGS). Esta organización entrega mapas con los valores de ET0 para los Estados Unidos. El Caribbean-Florida Water Science Center (CFWSC) reporta valores de evapotranspiración potencial y de referencia para el estado de Florida. Propongo usar esos datos para validar el algoritmo.

Los datos están disponibles en este enlace y presentan la siguiente información por columnas, en un archivo .txt separado por tab usando punto decimal:

• date --> Date data representation
• latitude --> Latitude of Pixel value
• longitude --> Longitude of Pixel value
• pixel --> Pixel ID number
• PET --> Potential ET(mm/day)
• RET --> Reference ET(mm/day)
• solar --> Solar Radiation - Daily Insolation (MegaJoules/sq meter/day)
• RHmax --> Maximum Relative Humidity for day (%)
• RHmin --> Minimum Relative Humidity for day (%)
• Tmax --> Maximum Temperature for day (C)
• Tmin --> Minimum Temperature for day (C)
• Wind --> Wind Speed (meters/second)

Junto a la información de cada pixel, es posible descargar el METADATO correspondiente y la información de la calidad de la información entregada.

La información de calidad responde a qué tan buenos eran los datos de radiación solar medidos para ese día, siendo 1 la puntuación más alta y 4 la más baja.

Para realizar la validación no usaré la información de todos los pixeles, sino solo la del pixel ID = 9338. ¿Por qué? Bueno, porque había que elegir uno. El valor del pixel está fijo en la serie de instrucciones para AWK que digiere los datos crudos de USGS.

La Latitud del pixel 9338 corresponde a 24.59, indicada en la columna número 2 del fichero de datos. El CFWSC no reporta la elevación de ninguno de los pixeles. Sin embargo, una visita a google.earth, indica que para la coordenada [24.59, -83.113] la elevación está, por lo general, bajo los 10msnm.

Como el CFWSC no indica la elevación este dato está fijo, de acuerdo a lo que revisé en google.earth, en las instrucciones que ejecuta AWK y, por tanto, en la serie de instrucciones de PHP que éste archivo genera.

Estación INIA

De la Red Agrometeorológica de INIA se escogió la estación La Platina, La Pintana, INIA (La Platina). Como la Red Agrometeorológica no permite la descarga de datos directamente por consultas http, https, etc, y tampoco cuenta con una API, se descargaron manualmente dos archivos en formato .csv (esto quiere decir que no son descargados automáticamente por run.sh):

• agrometeorologia-20220917201147.csv
• agrometeorologia-20220917201400.csv

El archivo agrometeorologia-20220917201147.csv cuenta con datos de "Temperatura del Aire Mínima", "Temperatura del Aire Máxima", "Radiación Solar", "Velocidad del Viento" y "Humedad Relativa".

El archivo agrometeorologia-20220917201400.csv contiene los datos de ET0, que deben ser consultados por separado.

Se consideró un intervalo de un año, con datos a escala diaria, medidos entre el 01-02-2019 y el 01-02-2020.

Flujo general e instrucciones

Esta carpeta cuenta con el archivo principal de instrucciones run.sh y con dos subcarpetas:

• src
• data

SRC

La carpeta src contiene las secuencias de instrucciones utilizadas por run.sh. Estas son:

• fao56Alg.php --> implementación en PHP del algoritmo de FAO.
• usgsDataSort.awk --> instrucciones para AWK que genera el script de PHP que calculará ET0 para el pixel 9338 con los datos del CFWSC.
• iniaDataSort.awk --> instrucciones para AWK que genera el script de PHP que calculará ET0 con los datos de la estación La Platina de INIA.
• summaryAndPlot.r --> instrucciones para R que calculan las estadísticas descriptivas de los datos (RMSE, SSD, otros).

Las instrucciones de AWK generarán los siguientes archivos (intermedios) de PHP (run.sh no borra los archivos intermedios dado que, a veces, sirven como diagnóstico):

• usgsFlRun.php --> cálculo de ET0 para el pixel 9338 de CCFWSC.
• iniaLPRun.php --> cálculo de ET0 para la estación La Platina de INIA.

DATA

La carpeta data contiene los archivos de datos necesarios para realizar los cálculos. Como el CFWSC soporta acceder a los datos por http, https, etc, los datos no están incluidos en esta carpeta y son descargados la primera vez que se ejecuta la serie de instrucciones run.sh.

Los archivos que contiene la carpeta data son (después del trabajo de descarga de run.sh):

• Florida_2017.zip --> archivo comprimido del CFWSC que contiene Florida_2017.txt
• Quality_Codes_2017.zip --> archivo comprimido del CFWSC que contiene Quality_codes_2017.text
• Florida_2017.txt --> archivo txt separado por tab del CFWSC con datos climáticos para florida.
• Quality_Codes_2017.txt --> archivo txt separado por tab del CFWSC que contiene la calidad de los datos de radiación solar capturados para una determinada fecha.
• agrometeorologia-20220917201147.csv --> archivo csv con datos meteorológicos para la estación La Platina de la Red Agroclimática de INIA.
• agrometeorologia-20220917201400.csv --> archivo csv con los valores calculados de ET0 para la estación La Platina por la Red Agroclimática de INIA.

OUT

Tras su ejecución, el script run.sh generará una carpeta con los resultados obtenidos. Esta carpeta contendrá los siguientes archivos:

• iniaLaPlatinaOut.tsv --> --> resultados de la estimación de ET0 utilizando fao56Alg.php (Pred) y valores reportados por la red Agrometeorología para la estación La Platina (Obs).
• iniaLaPlatinaPlot.png --> gráfico de valores observados (red Agrometeorología) v/s predichos (fao56Alg.php)
• iniaLaPlatinaSummary.txt --> estadística descriptiva de valores observados (red Agrometeorología) y predichos (fao56Alg.php) para la estación La Platina.
• usgsFlOut.tsv --> resultados de la estimación de ET0 utilizando fao56Alg.php (Pred) y valores reportados por el CFWSC para el pixel 9338.
• usgsFlPlot.png --> gráficos de valores observados (CFWSC) v/s predichos (fao56Alg.php)
• usgsFlSummary.txt --> estadística descriptiva de valores observados (CFWS) y predichos (fao56Alg.php) para el pixel 9338.

Conclusión:

El RMSE del algoritmo implementado con la estación de referencia es de 0.26mm, mientras que con la estación La Platina es de 1.09mm. La estación de INIA tiende a subestimar los valores de ET0 (m = 0.77).