Beneficios del monitoreo de la composición atmosférica y del intercambio internacional de datos

La composición atmosférica y los cambios que ocurren en ella tienen múltiples impactos en la vida del ser humano y en el medioambiente. Por ejemplo, el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero provoca un calentamiento global que, a su vez, intensifica los fenómenos meteorológicos extremos y conduce a la acidificación de los océanos. Los crecientes niveles de contaminación del aire constituyen una amenaza para la salud humana, los ecosistemas y la producción agrícola. Para comprender el estado del aire que respiramos, los cambios que ocurren en él, los impactos resultantes y los impulsores responsables, es indispensable llevar a cabo observaciones de la composición atmosférica y también intercambiar abiertamente esa información en todos los sectores. Es de esperar que la nueva Política Unificada de Datos de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) ayude a ampliar y a reforzar aún más ese intercambio. El texto de la citada política se refiere, por primera vez, a los datos sobre la composición atmosférica como un campo disciplinar esencial para las actividades de la OMM y establece una política organizativa para su intercambio. Asimismo, reconoce con claridad la naturaleza simbiótica de la investigación y las operaciones, así como el beneficio mutuo del intercambio de información entre esas dos comunidades.

La Vigilancia de la Atmosfera Global (VAG) de la OMM ayuda a los Estados y Territorios Miembros a observar la com posición atmosférica y a compartir la información correspondiente. Sin embargo, los datos sobre la composición atmosférica son producidos por varias organizaciones dentro y fuera de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos Nacionales (SMHN), entre ellas los organismos nacionales y subnacionales de protección medioambiental, el ámbito académico y el sector privado. Por lo tanto, el intercambio de información sobre la composición atmosférica tiene lugar más allá de la comunidad de la OMM, con lo que la política de datos de la Organización adquiere gran interés y relevancia para el programa de la VAG. Para alcanzar el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global muy por debajo de 2 °C, muchos países se han comprometido a avanzar hacia las cero emisiones netas de gases de efecto invernadero. Sin acceso a los datos atmosféricos, ni intercambio de los mismos, no se conocería el incremento de las concentraciones de gases de efecto invernadero desde la industrialización y no se podría monitorear el progreso futuro ni determinar las zonas críticas en cuanto a emisiones para poder actuar.

Aplicaciones importantes de los datos sobre la composición atmosférica

Figure 1. Observation de l’ozone à Ushuaïa (Argentine). Les sondes pour l’ozone mesurent les variables météorologiques et de l’ozone à différentes altitudes tout au long de l’ascension de la sonde, jusqu’à l’éclatement du ballon. (Source: Lino Condori)

Las mediciones en la atmosfera a largo plazo son importantes para fundamentar y apoyar las políticas, y para demostrar en última instancia el éxito de cualquier medida adoptada. Por ejemplo, los datos sobre la composición atmosférica a largo plazo atestiguan el comienzo de una recuperación de la capa de ozono, algo que supone una historia de éxito medioambiental. La disminución de la capa de ozono de la estratosfera fue uno de los problemas medioambientales que condujeron a la firma en 1987 del Protocolo de Montreal para reducir gradualmente las sustancias nocivas para las moléculas de ozono. El éxito de este acuerdo se pone de manifiesto a través de la recuperación medida de la capa de ozono a un ritmo de entre el 1 y el 3 % por década desde el año 2000 en las regiones de la estratosfera superior más allá de los polos (OMM, 2018a).

Las mediciones de las sustancias que agotan la capa de ozono, del ozono estratosférico y de la radiación ultravioleta (UV) proporcionan evidencias observacionales para apoyar el Protocolo. Las observaciones se efectúan desde el suelo y desde el espacio utilizando diversas técnicas e instrumentos. El perfil vertical del ozono se mide utilizando una ozonosonda. En la figura 1 se muestra un ejemplo de preparación de una ozonosonda para su lanzamiento. Los análisis de las observaciones a largo plazo y de calidad controlada de los clorofluorocarbonos CFC-11 revelaron una ralentización en el descenso de la concentración atmosférica de esa sustancia a partir de 2012, que se vinculó a un incremento de las emisiones mundiales al este de Asia (Montzka y otros, 2018; OMM, 2018b). Las concentraciones de gases de efecto invernadero  también están bien documentadas a través de mediciones a largo plazo realizadas por todo el mundo. Los análisis globales de esas observaciones, presentados en el Boletín sobre los Gases de Efecto Invernadero, publicación anual de la OMM (véase la figura 2), muestran que el dióxido de carbono (CO₂) superó en 2014 el nivel de 400 partes por millón (ppm) en todas las estaciones de la VAG del hemisferio norte. En el Boletín se informó, en 2016, de que en lugares remotos del hemisferio sur, como la estación mundial de la VAG en el cabo Grim, en Tasmania (Australia), también se batió esa marca. En 1989, cuando se inició el programa de la VAG, la concentración media mundial de CO₂ era de 353 ppm.

Figura 2. Fracción molar de CO2 promediada a nivel mundial. La línea roja corresponde a la media mensual sin la variación estacional; los puntos azules y la línea azul representan las medias mensuales. Para este análisis se han utilizado las observaciones de 133 estaciones. Los datos están disponibles y el análisis ha sido realizado por el Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero, operado por el Servicio Meteorológico del Japón (JMA) (Fuente: Boletín de la OMM sobre los Gases de Efecto Invernadero 16, 2020).

Los contaminantes atmosféricos (aerosoles y gases reactivos) son responsables de la mala calidad del aire, que causa 2 Fracción molar de CO (ppm) Año Figura 2. Fracción molar de CO2 promediada a nivel mundial. La línea roja corresponde a la media mensual sin la variación estacional; los puntos azules y la línea azul representan las medias mensuales. Para este análisis se han utilizado las observaciones de 133 estaciones. Los datos están disponibles y el análisis ha sido realizado por el Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero, operado por el Servicio Meteorológico del Japón (JMA) (Fuente: Boletín de la OMM sobre los Gases de Efecto Invernadero 16, 2020). en todo el mundo unos siete millones de muertes prematuras cada año (OMS, 2016). Los datos sobre aerosoles y gases reactivos son importantes para determinar amenazas graves para la salud y se utilizan en las estimaciones de la carga mundial de morbilidad (Shaddick y otros, 2021). Las observaciones también se usan para supervisar el cumplimiento de las normas sobre calidad del aire y para monitorear los cambios en la abundancia de contaminantes fruto de la adopción de políticas (UNECE, 2016). El suministro de esos datos en tiempo casi real es fundamental para mejorar la exactitud de los pronósticos de los sistemas de alerta temprana y para orientar las medidas de mitigación.

Figura 3. Daño en los cultivos causado por el ozono. El daño aumenta cuando la exposición al ozono se prolonga: inicialmente, el nivel de daño es pequeño (izquierda), luego los síntomas empeoran (centro y derecha) (Fuente: K. Sharps, ICP Vegetation).

Además de sus consecuencias para la salud, la contaminación atmosférica tiene un impacto considerable en la agricultura debido a la excesiva deposición de ozono y de componentes de nitrógeno y azufre. El ozono superficial es uno de los contaminantes principales que afectan a las cosechas, con pérdidas mundiales anuales en los cultivos básicos (trigo, arroz, maíz y soja) que se estiman entre el 3 y el 16 %, es decir, entre 14 000 y 26 000 millones de dólares de los Estados Unidos (Avnery y otros, 2011; Mills y otros, 2018). Los mecanismos a través de los cuales el ozono afecta a las plantas y a los cultivos se conocen bastante bien cualitativamente, pero están mal cuantificados. La figura 3 ilustra el daño a los cultivos debido al ozono.

Algunos contaminantes de vida corta también tienen impactos climáticos, por ejemplo, el ozono y los aerosoles. Entre otros efectos, contribuyen al forzamiento radiativo. Por ejemplo, los aerosoles del humo de los incendios forestales repercuten en la radiación y, de ese modo, en la predicción meteorológica (demostración en el Boletín de la OMM sobre los Aerosoles (OMM, 2021b)). Por lo tanto, las observaciones de los contaminantes de vida corta son de máxima importancia para incrementar la comprensión de los diferentes efectos que tienen en el sistema climático.

Fuentes de los datos sobre la composición atmosférica y requisitos que deben cumplir

Como se indicó anteriormente, los datos sobre la composición atmosférica se producen dentro y fuera de los SMHN. Como regla general, los organismos de protección medioambiental realizan las observaciones de los contaminantes regulados, mientras que las de alta calidad con fines de investigación, incluidas las campañas de medición por tiempo limitado, son llevadas a cabo por instituciones de investigación y universidades. Las mediciones terrestres in situ se complementan con mediciones aéreas in situ (por ejemplo, el programa Aeronave en Servicio para un Sistema de Observación Global (IAGOS)), así como por teledetección tanto terrestre como satelital. Recientemente, han surgido nuevas fuentes de datos relacionadas con la ciencia ciudadana y esa información se genera cada vez más con dispositivos sensores de bajo costo (OMM, 2021a).

Los datos de observación deben recopilarse de forma que se asegure la compatibilidad de la información procedente de diferentes fuentes, con el fin de elaborar productos coherentes a nivel mundial y entender las variaciones espaciales y temporales de la composición atmosférica. Con tal propósito, la VAG proporciona pautas de medición y herramientas de garantía y control de calidad. El resumen de datos del Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero proporciona un ejemplo de la información que puede obtenerse de esos productos coherentes. La figura 4 ilustra la evolución temporal y la distribución geográfica del CO₂. Además del incremento claramente visible del CO₂ en el tiempo, muestra concentraciones más bajas de ese gas en el hemisferio sur, así como un ciclo estacional menos pronunciado que en el hemisferio norte debido a la menor fracción de superficie terrestre y, por tanto, a la menor cantidad de vegetación.

Figura 4. Variaciones medias mensuales de las fracciones molares de CO2 promediadas por zonas. Las fracciones molares promediadas por zonas se han calculado para cada 20° de latitud (Fuente: Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero (JMA, 2020)).

A pesar de que la red de observaciones de la VAG está creciendo, sigue habiendo una falta de datos importante (Laj y otros, 2019), ya que en muchas partes del mundo no hay infraestructuras de observación. Por razones políticas, comerciales e institucionales, así como debido a la falta de capacidad, también ocurre que algunas observaciones no se comparten con la comunidad internacional. La figura 5 muestra la limitada disponibilidad de mediciones mediante una comparación entre el reanálisis y las observaciones de ozono de la VAG. Se ha realizado un gran esfuerzo en el marco del Informe de Evaluación del Ozono Estratosférico para recopilar todos los datos disponibles con el fin de realizar una evaluación global de varias métricas dirigidas a diferentes comunidades de usuarios (Lewis, 2017), lo que supone un paso importante para incrementar la disponibilidad de información, incluso aunque los datos brutos no se pongan a disposición de los usuarios. Ello deja entrever la gran cantidad de información que no se está utilizando plenamente.

Figura 5. Distribución mundial de las concentraciones de ozono cerca de la superficie medidas por la red de estaciones de la VAG (2000-2009) superpuestas a las concentraciones de ozono simuladas por el modelo de reanálisis Monitoreo de la Composición Atmosférica y el Clima (2003-2010). Media mensual de julio (Fuente: Informe de la  VAG núm. 209 (OMM, 2013)).

Si la disponibilidad de información representa un desafío, la calidad de los datos de observación también. Algunas observaciones llegan sin ninguna información sobre calidad asociada, lo cual impide su completa utilización. Las necesidades en materia de observaciones vienen determinadas por la calidad de los servicios y productos finales que se basan en ellas, y se aplican no solo a la calidad de las propias observaciones, sino también a la oportunidad con la que están disponibles. Las necesidades en cuanto a datos sobre la composición atmosférica se definen según tres ámbitos de aplicación previstos dentro del amplio proceso de examen continuo de las necesidades de la OMM y se incluyen en otras aplicaciones. Por ejemplo, el monitoreo de la composición atmosférica abarca aplicaciones relacionadas con la evaluación de las distribuciones y el análisis de los cambios en su composición (espacial y temporal) a escala regional y mundial. Estas aplicaciones demandan niveles de incertidumbre muy bajos y una buena cobertura de datos a nivel mundial o regional, mientras que el requisito de oportunidad de la información intercambiada puede relajarse bastante para asegurar una mayor calidad de las observaciones.

Por el contrario, la predicción del cambio en la composición atmosférica y sus impactos en el medioambiente incluye aplicaciones que van desde la escala mundial a la regional con resoluciones horizontales similares a la predicción numérica del tiempo mundial (aproximadamente 10 km o más) y requisitos de oportunidad estrictos (en tiempo casi real). La incertidumbre de las observaciones intercambiadas para este propósito puede ser mayor que la de las observaciones para fines de monitoreo. Este tipo de aplicaciones facilita, por ejemplo, la emisión de avisos de tormentas de arena y polvo, las predicciones de bruma o niebla, así como las predicciones meteorológicas de la composición química de la atmósfera. En la figura 6 se muestra un ejemplo de validación de una predicción en tiempo casi real. Las aplicaciones urbanas, dirigidas a las megalópolis y a los grandes complejos urbanos, deben cumplir un conjunto muy específico de requisitos en términos de incertidumbre, oportunidad, representación espacial y densidad. Estas aplicaciones necesitan resoluciones horizontales de pocos kilómetros o menos y, en algunos casos, tienen estrictos requisitos de oportunidad en cuanto a la disponibilidad de los datos. Un rasgo distintivo de este tipo de aplicaciones es su énfasis en la investigación en apoyo de los servicios operativos, como la predicción de la calidad del aire, que utiliza enfoques como los proyectos piloto y las pruebas de viabilidad. Además de las áreas mencionadas, muchas otras aplicaciones se benefician indirectamente de la información sobre la composición atmosférica. Por ejemplo, los datos sobre la composición atmosférica mejoran la estimación del forzamiento radiativo en la predicción numérica del tiempo y en las proyecciones climáticas (véase OMM, 2021b).

Figura 6. Validación en tiempo casi real del pronóstico de ozono en superficie del Servicio de Vigilancia Atmosférica de Copernicus (SVAC) con datos de la estación de la VAG de Ushuaia (Argentina). El SVAC utiliza datos de ozono de 15 estaciones de la VAG para la validación en tiempo casi real (Eskes y otros, 2021) (Fuente: Evaluación de predicciones mundiales del SVAC del Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Plazo Medio (ECMWF)).

Gestion et échange de données sur la composition de l’atmosphère

L’approche du partage des données sur la composition de l’atmosphère dépend en grande partie de deux facteurs: l’agence qui a produit les données et les politiques nationales en matière de partage des données. Les observations réalisées par les institutions gouvernementales au moyen de fonds publics sont souvent assujetties à des politiques de données ouvertes, dans le cadre desquelles les données sont librement disponibles sur les portails gouvernementaux. Cela inclut les données sur la pollution en vue de respecter les règlements nationaux et internationaux sur la qualité de l’air au regard des obligations en matière de rapports.

Pour la communauté des chercheurs, les données constituent une propriété intellectuelle et elles ne sont souvent mises à disposition qu’à l’issue de la publication d’articles pertinents, ce qui peut avoir lieu longtemps après que les mesures ont été prises. Les données recueillies par les universités, les instituts de recherche et d’autres organismes le sont d’ordinaire sur une période limitée. Dans l’ensemble, ces données apportent une contribution importante à la communauté opérationnelle de l’OMM, même si, très souvent, il ne s’agit pas de l’objectif premier de la collecte des données. La communauté qui travaille autour de la composition de l’atmosphère a généralement adopté les principes FAIR (selon lesquels les données doivent être faciles à trouver, accessibles, interopérables et réutilisables) en matière de partage. Cependant, les principes FAIR ne promeuvent pas explicitement l’accès ouvert et sans restriction, et si nécessaire, de telles dispositions doivent être explicitement formulées: les données doivent être à la fois techniquement ouvertes (c’est-à-dire disponibles dans un format standard lisible par une machine et pouvant être traité par une application informatique) et légalement ouvertes (sous licence explicite pour permettre leur utilisation et leur réutilisation commerciales et non commerciales sans restrictions).

Les données de recherche sont généralement stockées dans des dépôts de données spéciaux ou des archives en nuage. En raison des liens unissant une même infrastructure de recherche à de multiples projets, initiatives et programmes, la duplication des fonds de données entre de multiples dépôts soulève un grave problème qui fait actuellement l’objet de discussions au sein de la communauté. Les dépôts de métadonnées permettant l’association de données avec plusieurs projets et réseaux sont considérés comme des solutions possibles pour éviter des transmissions multiples (voir la figure 7). La maintenance de ces dépôts pose aussi un problème au regard du financement et de la gestion de volumes de données en rapide augmentation. On constate également une large mise en œuvre d’identifiants d’objets numériques (DOI) qui facilitent la transparence, la traçabilité et l’attribution, notamment entre les communautés opérationnelles, de recherche et d’application. D’autres évolutions technologiques liées à l’apposition de licences qui devraient permettre de reconnaître l’origine et la propriété des données aideront les chercheurs à partager des données aussi librement que possible. Il est reconnu que les licences et restrictions personnalisées peuvent conduire à une «superposition» complexe de licences.

Figura 7. Los portales de metadatos OSCAR/Superficie y GAWSIS, patrocinados por la OMM, tienen en cuenta las múltiples asociaciones con los programas y redes de observación. El Instituto Noruego de Investigación Atmosférica (NILU) implementa un concepto similar. Entre los múltiples sistemas, el instituto NILU alberga los Centros Mundiales de Datos sobre Aerosoles y Gases Reactivos de la VAG. Los datos pueden afiliarse a varios sistemas para evitar las transmisiones múltiples (Fuente: NILU).

L’accès aux données commerciales et des sciences participatives est beaucoup moins structuré et peut même être restreint par abonnement. Les projets des sciences participatives disposent généralement de sites Web particuliers. Toutefois, une distinction est souvent faite entre le partage des données brutes et celui des données traitées (produits, graphiques), ces dernières étant généralement partagées d’une manière beaucoup plus ouverte que les données brutes. Cette différence peut effectivement limiter le potentiel d’évaluation de la qualité des données brutes sous-jacentes.

Les données des stations d’observation de la VAG sont collectées, contrôlées en termes de qualité et publiées par des centres mondiaux de données thématiques particuliers. Il existe également un certain nombre de centres de données participants qui fournissent les données des réseaux contributeurs. Les métadonnées sont disponibles dans le Système d’information sur les stations de la VAG (GAWSIS), qui fait partie d’OSCAR Surface. Ces centres de données travaillent à l’harmonisation des procédures relatives aux données en termes de transmission et d’accès et poursuivront ces efforts autour de la vision commune d’un système fédéré de gestion des données de la VAG qui permettra un accès totalement interopérable à toutes les données de la VAG. Un exemple d’information sur les données disponibles auprès du Centre mondial des données sur l’ozone et le rayonnement ultraviolet (WOUDC) est présenté à la figure 8. La VAG continuera d’assurer la liaison avec les autres acteurs concernés (réseaux contributeurs et de recherche, agences spatiales, agences pour l’environnement et autres) afin d’harmoniser les métadonnées et les formats de données et de faciliter ainsi l’utilisation des données de la VAG et d’autres données dans diverses applications (OMM, 2017).

Figura 8. Información sobre datos disponibles en el sitio web de búsqueda y descarga de datos del Centro Mundial de Datos sobre el Ozono y la Radiación Ultravioleta (Fuente: WOUDC).

L’enregistrement et l’attribution sont des conditions qui ne restreignent ni l’accès ni la réutilisation, mais qui peuvent s’avérer essentielles pour inciter la communauté des chercheurs à partager leurs données. Sans citations de données ou preuves documentées de leur utilisation, il est difficile pour la communauté des chercheurs de démontrer à leurs organismes de financement la valeur des données ainsi créée. Les droits de propriété intellectuelle peuvent être garantis par l’octroi de licences de données, qui en fixe les droits d’utilisation et assure une sécurité juridique à leurs utilisateurs. Cela permet aux utilisateurs du monde universitaire et du secteur privé d’élaborer des cas d’utilisation et des modèles commerciaux viables basés sur des droits d’utilisation concrets.

Avantages de la politique unifiée de l’OMM en matière de données

La mise en œuvre à grande échelle de la politique unifiée de l’OMM en matière de données est essentielle au succès de la prestation de multiples services liés à la composition de l’atmosphère. À l’instar d’autres cas présentés à l’article 2 et à l’article 9, l’amélioration de la prévision en temps voulu des phénomènes météorologiques extrêmes ainsi que le soutien à la politique de l’environnement nécessitent un échange de données international ouvert. La mise en œuvre de la politique unifiée en matière de données peut faciliter les avancées de multiples applications, allant de l’amélioration des prévisions de la qualité de l’air au soutien des mécanismes de transparence mis en place dans le cadre de la Convention-cadre des Nations  Unies sur les changements climatiques (CCNUCC). Afin d’utiliser efficacement les données pour des applications spécifiques, il convient de connaître la qualité des données. Une évaluation approfondie de l’incertitude des données fournit de précieuses informations supplémentaires sur l’utilité des données pour des services particuliers. La disponibilité des données en temps quasi réel est importante pour certaines applications telles que les prévisions et les alertes qui doivent être émises en temps voulu. Pour d’autres domaines d’application, par exemple la réanalyse et l’analyse des tendances, l’échange des données en temps voulu est moins important.

L’adoption de cette politique par de multiples agences au sein des Membres, au delà des SMHN, fera en sorte que les avancées en matière de politique et de services environnementaux soient mises en œuvre de manière globale et rentable.

Il est nécessaire d’améliorer l’échange de données entre la communauté opérationnelle de l’OMM et la communauté des chercheurs. Les projets de recherche nécessitent souvent l’accès à des données et à des services environnementaux externes, notamment des informations sur les prévisions et des enregistrements de données d’observation, de sorte qu’il existe une interdépendance naturelle entre recherche et exploitation. Il arrive que la communauté de la recherche n’ait pas accès aux données opérationnelles (observations et sorties de modèles) ou aux formats de données, ou qu’elle n’ait pas d’influence sur ces éléments, ce qui entrave l’interopérabilité des données, leur interprétation et le progrès scientifique. Il sera souhaitable d’harmoniser les protocoles de partage des données. L’OMM peut proposer à la communauté de la recherche des lignes directrices sur les protocoles de partage des données (norme de métadonnées WIGOS et infrastructure du SIO) afin d’optimiser la valeur des données de recherche, même si les avantages manifestes de cette proposition doivent être présentés à la communauté des chercheurs. En contrepartie, l’OMM devrait permettre à une communauté plus large d’avoir accès aux données opérationnelles, en mettant l’accent sur les avantages mutuels du partage des données pour le monde universitaire comme pour les communautés opérationnelles, afin de faire progresser la compréhension et la connaissance communes du système Terre.

Si la communauté de la recherche connaît bien la politique actuelle de l’OMM, cette communauté souhaite néanmoins disposer d’orientations précises sur les licences ainsi que d’une définition claire de ce qu’il convient d’entendre par les expressions «données fondamentales» et «données recommandées». L’octroi de licences constitue probablement un facteur de réussite essentiel qui facilitera le partage des données entre les Membres de l’OMM au-delà de la communauté traditionnelle des SMHN. La normalisation des licences pour les données de l’OMM pourrait considérablement contribuer à l’adoption de la politique unifiée de l’OMM en matière de données. L’alignement de la politique de l’OMM en matière de données sur les licences existantes (telles que les licences Creative Commons largement utilisées au sein de la communauté des chercheurs) permettrait d’en assurer l’acceptation dans les milieux universitaires et le secteur privé et d’éviter aux utilisateurs des obstacles pratiques.

Quels que soient les besoins au regard de la disponibilité en temps voulu des données ou de leur précision pour une application donnée, le fait que les données puissent être disponibles pour tous est une exigence commune. L’OMM est bien placée pour tirer parti de l’expérience acquise au cours de sa longue histoire en matière d’échange de données opérationnelles et pour l’étendre également aux données sur la composition de l’atmosphère. 

 

Autores

por Jörg Klausen (Instituto de Meteorología de Suiza, presidente del Equipo de Expertos de la OMM/VAG sobre Gestión de Datos de la Composición Atmosférica) y Claudia Volosciuk, Oksana Tarasova y Stoyka Netcheva, Secretaría de la OMM

 

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