Revista Cubana de Meteorología 27, Apr-Jun 2021, ISSN: 2664-0880
Artículo Original
 
Las sensaciones térmicas en Cuba a través de la Temperatura Efectiva Equivalente y el Índice Térmico Universal del Clima
Comparison of different bioclimatic index in Cuba
 

iDM.Sc. Sinaí Barcia Sardiñas1Centro Meteorológico Provincial de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba

iDM.Sc. Dunia Hernández González2Departamento de Meteorología, Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Universidad de la Habana, La Habana 10400, Cuba

iDLic. Lomberto Gómez Camacho3Centro Meteorológico Provincial de Villa Clara, Villa Clara, Cuba

 

1Centro Meteorológico Provincial de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba

2Departamento de Meteorología, Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Universidad de la Habana, La Habana 10400, Cuba

3Centro Meteorológico Provincial de Villa Clara, Villa Clara, Cuba

 

*Autor para correspondencia: Sinaí Barcia Sardiñas . E-mail: sinaibs@gmail.com

 

RESUMEN

El uso de los índices bioclimáticos es de los enfoques más empleados en Cuba para la caracterización de las sensaciones térmicas. El presente trabajo tiene como objetivo: Determinar el comportamiento temporal de las sensaciones térmicas en Cuba a partir de la Temperatura Efectiva Equivalente y el Índice Térmico Universal del Clima en el período 1981-2010. Para ello se han seleccionado un grupo de estaciones meteorológicas que caracterizan las zonas costeras, interiores y montañosas del país. Los resultados confirman que según la Temperatura Efectiva Equivalente las mañanas del período poco lluvioso se caracterizan por ser generalmente frescas y en menor medida resultan frías o muy frías y las mayores frecuencias de estas condiciones se registran hacia la mitad occidental del país. Por su parte las tardes de mayo a octubre son generalmente calurosas llegando a ser muy calurosas en los meses de julio y agosto. En cuanto al Índice Térmico Universal del Clima se observa una distribución similar, pero las sensaciones frescas y frías presentan muy baja frecuencia hacia las zonas llanas del país en el horario de la mañana cuando predominan durante todo el año las sensaciones de confort y ligeramente cálidas. Se confirma a través de ambos índices que las zonas montañosas presentan las condiciones térmicas más confortables del país. Se reafirma que las sensaciones térmicas varían según la zona geográfica sugiriendo la influencia de la aclimatación regional por lo que resulta necesario calibrar el Índice Térmico Universal del Clima para las condiciones cálidas de Cuba.

Palabras clave: 
sensación térmica; temperatura efectiva equivalente; índice térmico universal del clima.
 
ABSTRACT

The use of bioclimatic indices is one of the most widely used approaches in Cuba for the characterization of thermal sensations. The present work has as objective: To determine the temporal behavior of the thermal sensations in Cuba applying the Equivalent Effective Temperature and the Universal Thermal Climate Index in the period 1981-2010. For this, a group of meteorological stations that characterize the coastal, inland and mountainous areas of the country have been selected. The results confirm that according to the Equivalent Effective Temperature the mornings of the dry period are characterized by being generally slight cold and less frequently they are cold or very cold and the highest frequencies of these conditions are registered towards the western half of the country. On the other hand, the afternoons from May to October are generally hot, becoming very hot in the months of July and August. The Universal Thermal Climate Index shows a similar distribution, but the slight cold and cold sensations present very low frequency towards the plains of the country in the morning hours when comfort and moderate heat sensations predominate throughout the year. It is confirmed through both indices that the mountainous areas have the most comfortable thermal conditions in the country. The results reaffirm that thermal sensations vary according to the geographical area, suggesting the influence of regional acclimatization, which is why it is necessary to calibrate the Universal Thermal Climate Index for the warm conditions of Cuba.

Key words: 
thermal sensations; equivalent effective temperature; universal thermic climate index.
 
 
 
INTRODUCCIÓN

El organismo humano es un sistema homeotérmico por lo que su estado térmico depende en primer lugar, de un mecanismo termorregulador que estabiliza la temperatura interna del mismo alrededor de 37 ºC, independientemente de la temperatura del medio aéreo exterior. La termorregulación del cuerpo humano está sometida a mayor o menor tensión en dependencia de la generación, almacenamiento y pérdida de calor del mismo. Entre los mecanismos de defensa más importantes se encuentra la intensidad del flujo sanguíneo periférico y la sudoración.

El tiempo y el clima, por su parte, también influye considerablemente en el estado térmico del individuo, ya que las variaciones en el comportamiento de las variables meteorológicas originan un amplio espectro de sensaciones térmicas en los hombres. La sensación térmica humana forma parte del amplio objeto de estudio de la Bioclimatología, para el que los bioclimatólogos han desarrollado diversos modelos matemáticos que buscan establecer estándares de condiciones climáticas consideradas confortables para el ser humano.

Existen diversas formas de expresar la sensación y el estrés térmico de las personas. Esto es, a través de la(s) variable(s) meteorológicas involucradas o complejo de variables y de índices bioclimáticos. Un índice es una medida que intenta sintetizar en un valor único la información de diversas variables sobre una determinada magnitud del fenómeno que se describe en el tiempo y el espacio. Además, permite representar convencionalmente el grado o intensidad de una determinada cualidad o fenómeno (Guevara, 2013Guevara, V. 2013. Breve introducción a la sensación térmica y los índices de confort o bienestar en el mundo. In: Taller Nacional sobre índices de sensación térmica y su implementación en los servicios climáticos en el contexto de la variabilidad del clima y el cambio climático, La Habana: Casa de México.). En este sentido los índices bioclimáticos integran el efecto de dos o más variables e intentan describir cómo actúa el medio ambiente atmosférico sobre el organismo humano, a partir de observaciones experimentales (Santana, 2004Santana, M. 2004. Estudio de las sensaciones térmicas en la provincia Ciego de Ávila (Tesis de Maestría). Instituto Superior de Tecnología y Ciencias Aplicadas, La Habana, Cuba.).

El uso de los índices bioclimáticos para evaluar las sensaciones térmicas está ampliamente difundido en el ámbito internacional pero aún no existe consenso sobre cuál es el más adecuado, debido a que su utilidad depende de factores físicos, geográficos y biológicos. Los principales estudios sobre el confort bioclimático mantienen el enfoque analítico o racional, basado en el balance energético humano, y el enfoque sintético o empírico, fundamentado en combinaciones de diversas variables meteorológicas (Tornero et al., 2006Tornero, J., Pérez, J. A. y Gómez, F. 2006. Ciudad y confort ambiental: estado de la cuestión y aportaciones recientes. Cuadernos de Geografía, 80, 147-182.).

Los índices empíricos o simples se basan en fórmulas obtenidas estadísticamente con base en la aplicación de encuestas de sensación térmica en sujetos en ambiente libre. En cambio, los índices racionales o complejos se basan en ecuaciones obtenidas con base en el comportamiento fisiológico y el estrés térmico de sujetos evaluados en laboratorios o cámaras de ambiente controlado. Dentro de ellos se encuentra la Temperatura Efectiva (TE). Este es utilizado por primera vez en Estados Unidos por Honghten y Yaglun (1923) y fue definido como la temperatura de un aire estacionario y saturado de humedad que produciría, según la opinión de un gran número de personas, una sensación térmica semejante a la que produce la situación atmosférica concreta analizada. Este índice se utiliza fundamentalmente para evaluar condiciones interiores de las edificaciones o en lugares donde no estén presentes los efectos del viento.

Luego de múltiples investigaciones experimentales surge el índice Temperatura Efectiva Equivalente (TEE). Este tiene sus antecedentes en el anterior, y aunque se ha empleado fundamentalmente en condiciones de clima templado, durante todos estos años ha sido mundialmente utilizado para evaluar las condiciones de confort térmico. Dicho índice es más preciso, ya que evalúa la sensación de calor del cuerpo humano teniendo en cuenta la interacción entre la temperatura, la humedad del aire y la rapidez del viento en el medio exterior.

La TE y TEE, como índices empíricos, nunca van a cumplir los requisitos esenciales que, para cada valor de índice, debe ser siempre un correspondiente estado termo-fisiológico significativo, independientemente de la combinación de valores meteorológicos de entrada. Así, su uso es limitado y los resultados a menudo no son comparables. Es por esto que la caracterización del entorno térmico en términos termo-fisiológicos significativos requiere la aplicación de un modelo de balance de calor que tome en cuenta todos los mecanismos de intercambio de calor (Blazejczyk et al., 2012Blazejczyk, K., Epstein, Y., Jendritzky, G., Staiger, H. & Tinz, B. 2012. Comparison of UTCI to selected thermal indices. International Journal of Biometeorology, 56(3), 515-535, DOI 10.1007/s00484-011-0453-2.).

Siguiendo este enfoque en los últimos años se han propuesto un grupo de índices para expresar la sensación térmica siendo la Temperatura Fisiológica Efectiva (PET) y el Índice Térmico Universal del Clima (UTCI) los más destacados. El PET es uno de los índices térmicos más usados en la actualidad (Lin y Matzarakis, 2008Lin, T.P. & Matzarakis, A. 2008. Tourism climate and thermal comfort in Sun Moon Lake, Taiwan. International Journal of Biometeorology, 52(4), 281-290.; Deb y A, 2010Deb, C. & A, R. 2010. The significance of Physiological Equivalent Temperature (PET) in outdoor thermal comfort studies. International Journal of Engineering Science and Technology, 7, 2825- 2828.). Este utiliza dos tipos de variables, las variables meteorológicas y las del balance humano de la energía. Las ventajas de este índice son su independencia del tipo de ropa y de la actividad metabólica y su expresión en grados Celsius (ºC) facilita su uso tanto en climas cálidos como fríos (Deb y A, 2010Deb, C. & A, R. 2010. The significance of Physiological Equivalent Temperature (PET) in outdoor thermal comfort studies. International Journal of Engineering Science and Technology, 7, 2825- 2828.).

El UTCI fue propuesto por la Sociedad Internacional de Biometeorología (ISB) en el año 2000. El mismo debía tener significación termofisiológica en el campo del intercambio de calor, ser válido para cualquier clima, temporada y escala espacio-temporal y ser útil para las aplicaciones a la Biometeorología Humana (pronóstico diario, avisos, para la cartografía bioclimática regional y global, estudios epidemiológicos e investigaciones de impacto climático) (Jendritzky et al., 2001Jendritzky, G., Maarouf, A. & Staiger, H. 2001. Looking for a Universal Thermal Climate Index - UTCI for Outdoor Applications. Presented at the Windsor - Conference on Thermal Standards, Windsor, UK.). Este índice sigue el concepto de la Temperatura Equivalente que involucra la idea de ambiente de referencia con las siguientes características: humedad relativa del 50 %, aire en calma y temperatura media radiante igual a la temperatura del aire. La respuesta fisiológica de la persona es calculada después de una exposición de 30 minutos y 120 minutos. También se expresa en Grados Celcius (ºC) y representa para unas determinadas condiciones climáticas de humedad, velocidad del viento y temperatura del aire, la temperatura del aire equivalente en el ambiente de referencia que produce la misma respuesta fisiológica.

Cuba posee un clima cálido con elevados valores de radiación solar incidente y alta humedad relativa del aire, lo que ocasiona que durante gran parte del año se presenten sensaciones no confortables por excesivo calor. Con el objetivo de definir el espectro de sensaciones térmicas para este clima, muchos especialistas han realizado estudios sobre esta temática a escala nacional entre los que se destacan los trabajos de Osorio et al. (1988)Osorio, M., Vidaillet, D. y León A. 1988. La temperatura efectiva equivalente en Cuba. Revista Cubana de Meteorología, 1(1), 72-78, ISSN: 0864-151X., Lecha y Florido (1989)Lecha, L. B. y Florido, A. 1989. Principales características del régimen térmico del archipiélago cubano. Editorial Academia. La Habana. 56 pp., Lecha (1989)Lecha, L. B. 1989. El complejo temperatura del aire-rapidez del viento. Arquitectura y Urbanismo, X(1)., Osorio (1989)Osorio, M. 1989. Bienestar Térmico sobre la base de la Temperatura Efectiva Equivalente. Nuevo Atlas de Cuba., Guevara et al. (1990Guevara, V., León, A. y Vidailet, J. 1990. Frecuencias de las sensaciones térmicas en Cuba sobre la base de la temperatura efectiva equivalente (TEE). VIII Jornada Científica del Instituto de Meteorología, La Habana. (Inédito).), Lecha (1992)Lecha, L. B. 1992. Características climatológicas de las sensaciones confortables en el archipiélago cubano. Ciencias de la Tierra y el Espacio, 20, 81-98. y Lecha et al. (1994)Lecha, L. B., Paz, L. R. y Lapinel, B. 1994. El Clima de Cuba. Editorial Academia, La Habana, 186 pp..

A escala local, sin dudas es la mitad occidental de Cuba la más estudiada y dentro de ella la Habana, Matanzas, Cienfuegos y Villa Clara destacan como las provincias de mayores estudios sobre las sensaciones térmicas y los extremos bioclimáticos. En la mitad oriental las investigaciones relacionadas con este tema son más escasas y son las provincias de Ciego de Ávila, Camagüey y Santiago de Cuba las que presentan las mayores publicaciones.

El uso de los índices bioclimáticos es de los enfoques más empleados en Cuba y dentro de ellos la Temperatura Efectiva y la Temperatura Efectiva Equivalente son los más usados y así lo constatan los trabajos de Santana (2004)Santana, M. 2004. Estudio de las sensaciones térmicas en la provincia Ciego de Ávila (Tesis de Maestría). Instituto Superior de Tecnología y Ciencias Aplicadas, La Habana, Cuba., Guevara (2006)Guevara, A. V. 2006. Las condiciones de calor intenso como indicador de extremos bioclimáticos en Ciudad de La Habana (Tesis de Maestría). Instituto Superior de Tecnología y Ciencias Aplicadas, La Habana, Cuba. y Castillo (2014)Castillo, C. 2014. Sensaciones térmicas y extremos bioclimáticos por calor en la provincia Cienfuegos (Tesis de Licenciado). Instituto Superior de Tecnología y Ciencias Aplicadas, La Habana, Cuba..

Barcia et al., (2020)Barcia, S.; Otero, M.; Hernández, D.; Gómez, D. y Gómez, L. 2020. Comparación de diferentes índices bioclimáticos en Cuba. Revista Cubana de Meteorología, 26(3), 1-19, ISSN: 2664-0880. comparan diferentes índices bioclimáticos en las condiciones de Cuba y determinan su relación con las variables meteorológicas involucradas. Concluyen que el UTCI y el PET representan muy bien el estímulo de la radiación solar en las sensaciones térmicas, lo cual resulta pertinente en Cuba donde la alta radiación solar incidente es uno de los principales factores formadores del clima del país. También obtienen que al comparar índices complejos y empíricos las mayores relaciones estadísticas se alcanzan entre el UTCI y la TEE, aunque este último representa mejor las sensaciones térmicas bajo ambientes húmedos. A partir de estos resultados se plantea como objetivo: Determinar el comportamiento temporal de las sensaciones térmicas en Cuba a partir de la Temperatura Efectiva Equivalente y el Índice Térmico Universal del Clima en el período 1981-2010.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio comprendió todo el país y se utilizaron 67 estaciones meteorológicas pertenecientes a la red de estaciones del Instituto de Meteorología (Figura 1 y Tabla 1). No obstante para evidenciar los principales resultados obtenidos se escogieron 11 estaciones que representan las condiciones climáticas de las zonas costeras, zonas del interior y de las zonas montañosas del país (Figura 1).

 
Figura 1.  Estaciones meteorológicas utilizadas en el estudio.
 

Los datos climáticos trihorarios utilizados incluyeron las siguientes variables: temperatura seca (ºC), temperatura húmeda (ºC), humedad relativa (%), velocidad de viento (m/s) y nubosidad (octavos). Estos datos fueron extraídos del Centro del Clima del INSMET, para el período 1981-2010.

Los datos fueron sometidos a pruebas de calidad validándose por distintas vías: comparación inicial con los valores extremos absolutos de las variables en el período, cálculo de estadígrafos de posición y dispersión, muestreos gráficos a subconjuntos de datos de los ficheros y análisis individual de valores dudosos.

Comportamiento temporal del comportamiento de los índices bioclimáticos

El cálculo de cada uno de los índices estudiados se basó en las siguientes ecuaciones:

- Temperatura Efectiva (TE) y Temperatura Efectiva Equivalente (TEE)

El cálculo de estos índices se realizó mediante la fórmula de Brooks (Bútieva et al., 1984Bútieva, I. V., Ilichiova, E. M., y Kornilova, R. P. 1984. Régimen de tiempo y sensación térmica del hombre en diferentes zonas naturales de la URSS en el período cálido del año. En Materiales de Investigaciones Meteorológicas, pp. 74-81.):

 
TE=t-G800.00439T2+0.456T+9.5  (1)
 

 
TEE=TE+W0.11T-0.13-0.002TG  (2)
 

Donde:

t:

Temperatura del aire

G = 100 - r

donde r es la humedad relativa del aire en %.

T = t - 37

diferencia entre la temperatura del aire y la del cuerpo humano.

W:

velocidad del viento a 2 m de altura, que proviene de la relación 0.67V, donde V es la velocidad del viento a 10 m de altura (al nivel de la estación meteorológica), en m/s

- Índice Térmico Universal del Clima (UTCI)

Este índice fue calculado a través de la ecuación disponible en: http://www.utci.org/utci_doku.php mediante un software creado por los autores para este fin. Es válido recordar que este índice es aplicable a valores climáticos que se encuentren dentro de estos rangos:

  • -50 ºC ta +50 ºC

  • -30 ºC tmrt-ta +70 ºC

  • 0.5 m/s w 30.3 m/s

  • 5 % Hr 100 %

Donde:

Ta:

temperatura ambiente

Tmrt:

temperatura media radiante (los datos utilizados fueron los obtenidos a través del modelo RayMan (Matzarakis, et al., 2007Matzarakis A. & Rutz, F. 2007. Rayman: a tool for tourism and applied climatology”. Developments in Tourism Climatology, pp. 129-138) el cual estima la Tmrt a partir de los datos de nubosidad, latitud, longitud, altitud y día del año

w:

velocidad del viento

Hr:

humedad relativa

A partir del cálculo de cada uno de los índices seleccionados (TEE y UTCI) se aplicaron las clasificaciones correspondientes para cada uno (Tabla 1) y se confeccionaron gráficos de la marcha mensual de las frecuencias para cada índice, en los horarios seleccionados (7:00 am y 1:00 pm, hora local) en el período climático 1981-2010.

 
Tabla 1.  Umbrales de temperaturas (ºC) de sensaciones térmicas (descripción de la alerta) usadas para la TEE y el UTCI.
TEE1UTCI*
Helado (peligro extremo)H <-40
Muy frío (Muy frío)MF<12-40-(-13)
Frío (Frío)F12-17-13-(0)
Fresco (Peligro Moderado)LF17-220-9
Confortable (sin peligro)CF22-259-26
Cálido (precaución)LC 26-32
Caluroso (precaución extrema)C25-2832-38
Muy caluroso (peligro)MC> 2838-46
Calor Sofocante (peligro extremo)CS >46

1Intervalos propuestos por León (1988)León, A. 1988. Las sensaciones de calor en el occidente de Cuba. Tesis de Licenciado, La Habana: Universidad de la Habana, 28 p. que pueden considerarse adecuados para la población cubana, aclimatada a las condiciones cálidas y húmedas que imperan durante la mayor parte del año en Cuba.

*Escala de colores para representar cada categoría y que se utilizará en lo adelante en la presente investigación.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Comportamiento temporal de la TEE y el UTCI en estaciones seleccionadas

La Temperatura Efectiva Equivalente y el UTCI mostraron variaciones diarias y anuales provocadas por las propias variables que estos índices agrupan. Por lo que es evidente esperar que ocurran sensaciones térmicas más frecuentes que otras en dependencia de la zona geográfica, el horario y la época del año.

Zonas costeras

Las zonas costeras del país reciben el efecto termorregulador del mar lo que produce una disminución en la ocurrencia de las sensaciones muy frías en el horario de la mañana con respecto a las zonas del interior. Además, la influencia de las brisas es más marcada por lo que la frecuencia de las sensaciones muy calurosas disminuye en el horario del mediodía bajo el efecto del viento.

Describiendo el comportamiento de las sensaciones térmicas expresadas por la TEE en los dos horarios más contrastantes del día en las zonas costeras de Cuba se puede apreciar que de forma general a las 7:00 a.m. las sensaciones frescas y frías en conjunto se presentaron en casi la totalidad (>90%) de los días del plazo temporal comprendido entre diciembre y abril (Figura 2 izq.). La ocurrencia de períodos muy fríos en estas zonas del país fue muy escasa y solo se presentaron en zonas del occidente y centro y sobre todo hacia la costa norte. Las condiciones atmosféricas en la estación de Casablanca favorecen la ocurrencia de valores de la TEE menores que en el resto de las estaciones costeras. Su ubicación en la costa norte de la región occidental propicia una mayor influencia de los sistemas frontales (Osorio et al., 1988Osorio, M., Vidaillet, D. y León A. 1988. La temperatura efectiva equivalente en Cuba. Revista Cubana de Meteorología, 1(1), 72-78, ISSN: 0864-151X.).

El registro de las sensaciones confortables aumentó bruscamente de abril a junio para establecerse desde este mes hasta septiembre con una frecuencia de más del 50%. Por su parte, las sensaciones calurosas en este horario solo tuvieron una representación significativa en las zonas costeras del centro y oriente del país de junio a septiembre entre el 20 y 30% de frecuencia (Figura 2 izq.).

El UTCI mostró una menor variabilidad y solo fue posible observar para este horario 4 de las 9 categorías posibles (ligeramente frío, confortable, ligeramente cálido y caluroso) (Figura 2 der.). En las zonas costeras las sensaciones frescas o ligeramente frías fueron las de menor frecuencia y solo estuvieron presentes hacia el occidente del país de los meses de diciembre a marzo con frecuencias inferiores al 5 %. Por su parte, las sensaciones de confort presentaron las mayores frecuencias (>75%) de noviembre a abril en el horario de la mañana hacia las zonas costeras y de mayo a octubre fueron las cálidas las que predominaron.

 
Figura 2.  Distribución de frecuencias de la TEE (izquierda) y UTCI (derecha) a las 7:00 a.m., en estaciones que caracterizan las zonas costeras de Cuba. Período 1981-2010.
 

A la 1:00 p.m., según la TEE, las condiciones de confort estuvieron presentes con una mayor frecuencia (40%) en el período poco lluvioso, mientras que la probabilidad restante de esta época se compartió entre la ocurrencia de sensaciones frescas y calurosas (Figura 3 izq.). Estas últimas, se hicieron más frecuentes en los meses estivales donde se da paso a las muy calurosas que llegaron a alcanzar un máximo en agosto entre el 40-50% en toda la zona costera del sur del país.

El comportamiento del UTCI en este horario del día mostró que las sensaciones de confort disminuyeron notablemente y solo se presentaron en el período poco lluvioso, teniendo las mayores frecuencias hacia zonas de la costa norte. En este período del año predominaron las sensaciones ligeramente cálidas y calurosas (Figura 3 der.). En el período lluvioso prevalecieron las sensaciones calurosas y muy calurosas en todas las zonas costeras del país.