EVALUACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO A
DIFERENTES ALTURAS: ESTUDIO TEMPORAL Y
ESPACIAL EN BOCA DEL RÍO, VERACRUZ
WIND SPEED ASSESSMENT AT DIFFERENT HEIGHTS:
TEMPORAL AND SPATIAL STUDY IN BOCA DEL RÍO,
VERACRUZ
Guadalupe González Mejía
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales, México
Erika Jazmín De la Cruz Ángel
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales, México
José Alfredo Inclán Barragán
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales, México
Casildo Pacheco Martínez
Facultad de Ciencias Químicas, México
Jesús Ponce Ávila
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales, México
pág. 6245
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i1.16334
Evaluación de la Velocidad del Viento a Diferentes Alturas: Estudio
Temporal y Espacial en Boca del Río, Veracruz
Guadalupe González Mejía1
guadalupegonzalez@uv.mx
https://orcid.org/0009-0003-0639-7942
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias
Navales
México
Erika Jazmín De la Cruz Ángel
eridelacruz@uv.mx
https://orcid.org/0009-0001-2617-0708
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias
Navales
México
José Alfredo Inclán Barragán
jinclan@uv.mx
https://orcid.org/0009-0009-0351-0851
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias
Navales
México
Casildo Pacheco Martínez
capacheco@uv.mx
https://orcid.org/0009-0005-8791-7667
Facultad de Ciencias Químicas
México
Jesús Ponce Ávila
jponce@uv.mx
https://orcid.org/0009-0007-5322-914X
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias
Navales
México
RESUMEN
Estudiar el efecto del comportamiento del viento es primordial para el diseño de elementos éstaticos, el
cálculo de aprovechamiento eólico, la programación de actividades humanas, la caracterización de la
velocidad y dirección del viento a través de los datos de estaciones meteorológicas que existen con fines
de estudiar las variables climatológicas, permitiendo utilizar los datos que se generan para aplicarlos en
otras áreas de estudio. Para realizar el estudio temporal y espacial del viento en la Ciudad de Boca del
Rio, Veracruz, se realizó el análisis estadístico del viento a nivel de superficie (altura del instrumento)
utilizando 8760 valores horarios promedio correspondientes al año 2023, aplicando la Ley exponencial
de Hellmann obteniendo un perfil vertical de velocidad de vientos hasta 100 m. Asi mismo se presenta
un estudio del comportamiento anual de las velocidades diurnas y direcciones presentadas en el área de
estudio. El objetivo es presentar un estudio temporal y espacial de del comportamiento del viento para
utilizarlo en areas de diseño mecánico y eólico.
Palabras clave: viento, perfil vertical del viento, ley de Hellmann
1
Autor principal.
Correspondencia: guadalupegonzalez@uv.mx
pág. 6246
Wind Speed Assessment at Different Heights: Temporal and Spatial Study
in Boca Del Río, Veracruz
ABSTRACT
Studying the effect of wind behavior is essential for the design of static elements, the calculation of
wind exploitation, the programming of human activities, the characterization of wind speed and
direction through data from meteorological stations that exist for the purposes of study climatological
variables, allowing the data generated to be used to apply them in other study areas. To carry out the
temporal and spatial study of the wind in the City of Boca del Rio, Veracruz, the statistical analysis of
the wind at the surface level (height of the instrument) was carried out using 8760 average hourly values
corresponding to the year 2023, applying the Exponential Law of Hellmann obtaining a vertical wind
speed profile up to 100 m. Likewise, a study of the annual behavior of the diurnal speeds and directions
presented in the study area is presented. The objective is to present a temporal and spatial study of wind
behavior for use in mechanical and wind design areas.
Keywords: wind, vertical wind profile, Hellmann's law
Artículo recibido 23 enero 2025
Aceptado para publicación: 24 febrero 2025
pág. 6247
INTRODUCCIÓN
El viento se genera como un movimiento de masa de aire derivado de la radiación solar. Las diferencias
de insolación entre distintas regiones generan diferentes áreas térmicas y los desequilibrios de
temperatura provocan diferencias de densidad en las masas de aire, que se traducen en variaciones de
presión. El aire, como cualquier gas, se mueve desde las zonas de alta presión a las de baja presión. Se
establece así cierto equilibrio por transferencia de energía entre las zonas de diferente temperatura, lo
que ocasiona un desplazamiento de masas de aire, lo que produce el viento. De esta forma, se podría
definir el viento como una corriente de aire resultante de las diferencias de presión en la atmósfera,
provocadas en la mayoría de los casos, por variaciones de la temperatura ( Jarabo Friedrich, Perez
Dominguez, Elortegui Escartin, Fernandez Gonzalez, & Macias Hernandez, 1988).
Realizar un estudio de la velocidad y dirección del viento en un sitio de medición con una orografía
cercana a la zona costera de Boca del Río es fundamental para conocer las condiciones disponibles para
la generación de energía eólica (Barzola, y otros, 2016) y para conocer la dinámica del viento en las
cargas de viento que pueden generar fuerzas de presión sobre un elemento esbelto o estructuras (Fabré
Sentile, Sánchez Noa, González Fernández, García Domínguez, & Wellesley-Bourke Funcasta , 2006).
Estas cargas, se calculan a partir de variables conocidas en la zona como la velocidad media, el perfil
vertical de velocidades del viento, en el cual los datos meteorológicos como la magnitud y dirección
están definidos en función de la topografía o la altitud del terreno y otros parámetros que definen las
características de turbulencia del viento.
El perfil vertical del viento se obtuvo mediante la Ley Exponencial de Hellmann, la cual permite definir
el comportamiento del viento en alturas superiores a la del instrumento de medición y se apoya en
estudios realizados donde se puede estimar el coeficiente α, correspondiente al tipo de superficie, dando
una idea del coeficiente de rugosidad (exponente de Hellman).
Para estudiar la frecuencia de la dirección del viento y delimitar sus rangos de velocidad, se generó un
gráfico de rosa de vientos que muestra la distribucion de frecuencia de velocidades y direcciones del
viento de forma polar y su comportamiento anual en forma vectorial.
METODOLOGÍA
Se presenta un estudio realizado en el año 2023 en el Observatorio Meteorológico Boca del Río, el cual
pág. 6248
pertence a la red de observatorios del Servicio Meteorologico Nacional (SMN), ubicado en el municipio
de Boca del Río, en el estado de Veracruz, Mexico con coordenadas geográficas Latitud 19 grados 08’
34.76” N y longitud 96 grados 06’ 40.73” W. Se obtuvieron los datos de la velocidad y dirección del
viento a traves de la pagina del Servicio Meteorologico Nacional (CONAGUA, s.f.). Las lecturas de
medición de velocidad y dirección del viento se obtuvieron de un anemocinemógrafo marca
ESTERLINE ANGUS modelo F-420C-M4 (De la Cruz Ángel, Inclán Barragán, González Mejía,
Grajeda Rosado, & Díaz Abascal, 2024). Se utilizaron 8760 datos promedios horarios del año 2023, el
procediemiento es tomar lecturas cada 15 minutos, de las cuales a 4 lecturas se le realiza un cálculo
para obtener tres tipos de velocidades y direcciones horarias: la promedio, dominante y máxima según
normatividad de la Organización Meteorologica Mundial (OMM) (Herrera Vázquez, Restrepo López,
Quevedo Nolasco, Crespo Pichardo, & Portocarrero Reséndiz, 2010).
Para realizar la extrapolación de velocidades en altura, hasta 100 metros, y obtener los perfiles verticales
del viento, en los meses del año 2023, se utiliza la Ley Exponencial de Hellman (Mendoza Uribe, 2018),
la cual representa la variación de velocidad exponencial en relación a la altura sobre la superficie. La
velocidad inicial se toma de un anemómetro instalado sobre un mástil de 10 metros, sobre 15 m.s.n.m,
dando una altura de la medición de 25 m.s.n.m. La ecuación 1 define las velocidades a diferentes alturas,
tomando como referencia la altura y velocidad del instrumento.
(1)
(m/s)
El exponente α es el coeficiente de rugosidad del terreno, el cual depende de varios factores como la
altura, velocidad tomada del instrumento de medición, y rugosidad del terreno se puede estimar de la
ecuación 2 de Justus – Mikhail (Vera Duarte, Vásquez Vega, & Rojas Serrano, 2015) se define el
exponente α.
pág. 6249
(2)
La ecuación 2, dio un valor en el rango de 0.2713 – 0.3306, el cual se encuentra comprendido en valores
de α = 0.25 ÷ 0.4, según tabla de valores de exponente de Hellmann en función de la rugosidad del
terreno (Mendoza Uribe, 2018), se menciona que el area de estudio es una ciudad urbana costera.
El estudio se realiza con los valores promedio mensuales de velocidad del viento, mediante las
ecuaciones (1), (2) y se obtienen los perfiles de velocidad del viento en altura mostrados en la tabla 1.
Tabla 1 Perfiles verticales de velocidad del viento
ALTURA m
25
30
40
50
60
70
80
90
100
ENE
3.00
3.17
3.45
3.69
3.89
4.07
4.24
4.39
4.53
FEB
3.94
4.14
4.47
4.75
4.99
5.20
5.40
5.57
5.73
MAR
3.16
3.33
3.62
3.87
4.08
4.27
4.44
4.59
4.74
ABR
3.27
3.45
3.74
3.99
4.21
4.40
4.58
4.73
4.88
MAY
2.75
2.91
3.18
3.40
3.60
3.77
3.93
4.07
4.21
JUN
2.45
2.60
2.84
3.05
3.23
3.40
3.54
3.68
3.80
JUL
2.38
2.53
2.77
2.97
3.15
3.31
3.46
3.59
3.71
AGO
2.54
2.68
2.94
3.15
3.34
3.50
3.65
3.79
3.91
SEP
2.12
2.25
2.47
2.66
2.83
2.98
3.11
3.23
3.35
OCT
3.27
3.45
3.75
3.99
4.21
4.40
4.58
4.73
4.88
NOV
3.45
3.63
3.94
4.20
4.42
4.62
4.80
4.96
5.11
DIC
3.27
3.45
3.75
4.00
4.22
4.41
4.58
4.74
4.89
La ecuación 1, se puede utilizar para dar una aproximación de un perfil de vientos en altura, hasta 100
– 150 m , sabiendo que el exponente α varia con la altura, hora del dia, epoca del año y factores
ambientales como la temperatura, humedad relativa y presión atmosferica, las cuales determinan la
densidad del aire dependientes de las condiciones de estabilidad atmosferica (Guevara Díaz, 2013). Los
perfiles verticales de viento mensuales se presentan en la figura 1.
pág. 6250
Figura 1 Perfiles verticales de velocidad del viento mensuales
La figura 1 muestra la variabilidad de la velocidad del viento durante el año 2023, presentandosé en el
mes de septiembre la menor velocidad promedio a la altura del instrumento de medición con 2.12 m/s
y en el mes de febrero la mayor velocidad en febrero con 3.94 m/s, esto debido a la temporada de frentes
fríos, ya que el área de estudio es afectada por esta eventualidad. Además se puede observar una
variación de velocidad a una altura de 100 m en el mes septiembre respecto al mes febrero, siendo estas
de 3.35 m/s y 5.73 m/s respectivamente.
Conocer el comportamiento anual de la velocidad del viento por periodos mensuales, es fundamental
para estimar la variabilidad (De Bortoli, Canavesio, Benitez, & Makuch, 2002) y determinar como se
puede ver afectado en un ámbito de diseño de estructuras o diseño eólico. El impacto en una estructura,
el aprovechamiento eólico, la dispersión de contaminantes en la atmósfera, las actividades humanas,
dependen de esta condición de velocidad del viento en superficie y en altura, por lo cual es vital conocer
su temporalidad para estimar como influye el viento en las estructuras de la región del caso de estudio
(Ortiz Diaz, Escobar Amado, & Sepulveda Mora, 2018).
En la figura 2 se observa el comportamiento anual de la velocidad en el año 2023, registrando las
velocidades promedio mensuales con el instrumento de medición a 25 m.
15
25
35
45
55
65
75
85
95
105
2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00
Altura m
Velocidad del viento m/s
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
pág. 6251
Figura 2 Comportamiento anual de la velocidad a 25 m
La tendencia de la serie, muestra que en el periodo de marzo a septiembre el comportamiento de la
velocidad del viento va en decremento. Se observa un incremento de esta variable en el periodo de
octubre a febrero, esto debido a los efectos de losfrentes frios, donde los vientos del norte se incrementan
por dicho fenómeno meteorológico, la velocidad promedio anual es de 2.97 m/s, y la velocidad del
viento oscila de 2.12 m/s a 3.94 m/s.
Otra caracteristica importante es estudiar el comportamiento de la velocidad durante el dia
(Yancachajlla Tito & Vilca Huayta, 2022), que compara las rangos de velocidad contra la hora del día
y los meses del año 2023, los cuales se muestran en la figura 3.
Figura 3 Velocidad del viento diurna mensual del año 2023
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Velocidad media m/s
Meses
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Velocidad m/s
HORA
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
pág. 6252
La figura 3 muestra que la intensidad del viento incrementa con la radiación solar, esto está relacionado
con la temperatura ambiente, ya que la velocidad se incrementa a partir de las 07: 00 horas, alcanzando
su máxima velocidad a las 16:00 horas y a partir de ahí empieza a decrecer, siendo el mes de febrero
donde se presenta una mayor velocidad promedio y el mes septiembre una menor velocidad.
También es importante exponer el comportamiento anual diurno, el cual muestra a mayor detalle la
variación de la velocidad del viento durante el dia (Mora & Tinjacá, 2021), la figura 4 muestra el
comportamiento diurno de la velocidad durante el año 2023.
Figura 4 Velocidad promedio anual diurna
La figura 4 muestra la variabilidad media de la velocidad del viento, presentándose alrededor de las
05:00 horas con 1.85 m/s hasta las 15:00 horas con una velocidad máxima de 4.48 m/s, también se
observa que la velocidad a las 07:00 horas incrementa y a partir de las 15:00 horas decrementa debido
a la radiación solar y a la temperatura (De la Cruz Buelvas, Valencia Ochoa, & Vanegas Chamorro,
2018).
Para representar las direcciones de velocidad existe un gráfico el cual representa las características de
velocidad y direccion en forma polar. La rosa de vientos es un diagrama vectorial que permite
representar la dirección y velocidad del viento (Roque Rodriguez, 2015). La figura 5 muestra el
comportamiento anual 2023 de la direccion y velocidad del viento en forma vectorial.
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Velocidad media m/s
Hora del dia hr
pág. 6253
Figura 5 Rosa de los vientos del año 2023
En la figura se observa 5 que las velocidades dominantes corresponden al norte con 26.5%, al este con
un 13% y al noreste con un 12%, las direcciones del viento de mayor frecuencia se presentan en el
primer cuadrante correspondientes a los ejes norte – este. Así mismo las velocidades se comportan de
la siguiente manera: de 0.0 a 3.3 m/s se presenta un 67%, de 3.3 a 6.7 m/s un 27%, de 6.7 a 10.0 m/s un
3.7%, de 10.0 a 13.4 m/s un 1.4%, y de 13.4 a 16.7 un 0.3% y las velocidades más altas se presentan en
el primer cuadrante, siendo la dirección norte la que presenta las velocidades de mayor magnitud.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El comportamiento del viento a nivel de superficie en la estación ubicada en la zona urbana de Boca
del Río, está directamente ligada a la altura del terreno, el relieve, la época del año, la cercania a la costa
e influenciada por la climatología del area de estudio, ya que se encuentra en el centro del Golfo de
México y está expuesta a eventos de frentes frios en epocas invernales.
Este estudio muestra la temporalidad del comportamiento de la velocidad y dirección del viento,
demostrando que hay dos tendencias de velocidades definidas por la velocidad promedio anual, los
meses de comportamiento por encima del promedio anual se presentan de septiembre a febrero y los
valores por debajo de la media anual se concentran en el periodo de marzo a octubre, marcando una
diferencia considerable. Los perfiles verticales del viento se comportan de igual manera, ya que
dependen de la velocidad de superficie a la que fue tomada la medida del instrumento y el factor de
pág. 6254
rugosidad que depende de la orografía de la superficie principalmente.
CONCLUSIONES
El gráfico de rosa de vientos representa los resultados obtenidos, donde el 85% de las direcciones se
encuentran en el primer cuadrante de la rosa de los vientos, las direcciones actuan con mas frecuencia
en los ejes norte – sur, de ahí el segundo cuadrante de mayor frecuencia es el sur – oeste, Las velocidades
mas fuertes estan practicamente en la dirección norte.
Estos datos son muy importantes al momento de diseñar la orientación de una estructura, el
emplazamiento de un aprovechamiento eólico, la orientación de una insdustria que emite particulas
contaminantes a la atmosfera. El resultado demuestra que un emplazamiento a considerar se encuentra
dentro del primer cuadrante de la rosa de los vientos.
El factor de mayor importancia es la dirección norte, presentando el mayor rango de variabilidad en la
velocidad, debido a que los vientos se modifican desde las calmas (0.3 m/s), de vientos débiles hasta
vientos fuertes (16.7 m/s), por lo tanto, una estructura orientada en esta dirección estará expuesta a
fatiga por la fuerza aplicada por los vientos y se tiene que tomar en cuenta el factor de rachas de vientos.
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