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An�lisis descriptivo para el mon�xido de carbono de la zona centro de Quito usando datos funcionales

 

Descriptive analysis for carbon monoxide in the central zone of Quito using functional data

 

An�lise descritiva de mon�xido de carbono na zona central de Quito usando dados funcionais

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fabian.allauca@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de marzo de 2022 *Aceptado: 12 de abril de 2022 * Publicado: 14 de junio de 2022

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
2. Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
3. Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
4. Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

Resumen

El presente estudio tiene como objetivo analizar descriptivamente los datos funcionales del mon�xido de carbono en la zona centro de Quito, para los a�os 2019 y 2020; para lo cual se utiliz� el software estad�stico R, con el paquete "fda.usc" (An�lisis de datos funcionales y utilidades para la computaci�n estad�stica) versi�n 2.0.2. En el an�lisis descriptivo se realiz� gr�ficos exploratorios, obtenci�n de curvas at�picas, gr�ficos sin curvas at�picas, curvas medias mensuales y obtenci�n de curvas medias con bandas de confianza. Los resultados obtenidos del estudio indicaron que el comportamiento del mon�xido de carbono es irregular a lo largo del d�a, present�ndose valores m�s altos alrededor de las 07:00 llegando a alcanzar aproximadamente los 3.26 mg/m3 y un peque�o incremento de la concentraci�n de este contaminante alrededor de las 19:00 alcanzando aproximadamente los 2.0 mg/m3; se obtuvieron tambi�n 18 curvas at�picas, estas curvas at�picas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos. Al graficar las curvas medias mensuales, se observ� que los meses de julio, agosto y septiembre presentaron valores de concentraci�n menor para este contaminante. La curva media mostr� un valor m�ximo de 1.1 mg/m3 a las 07:00 y un valor aproximado de 0.75 mg/m3 entre las 19:00 y 20:00.

Palabras Clave: An�lisis descriptivo; datos funcionales; mon�xido de carbono; software estad�stico R; paquete fda.usc.

 

Abstract

The objective of this study is to descriptively analyze the functional data of carbon monoxide in the central area of ​​Quito, for the years 2019 and 2020; for which the statistical software R was used, with the package "fda.usc" (Functional data analysis and utilities for statistical computing) version 2.0.2. In the descriptive analysis, exploratory graphs were made, obtaining atypical curves, graphs without atypical curves, monthly mean curves and obtaining mean curves with confidence bands. The results obtained from the study indicated that the behavior of carbon monoxide is irregular throughout the day, with higher values ​​around 07:00 reaching approximately 3.26 mg/m3 and a small increase in the concentration of this pollutant. around 19:00 reaching approximately 2.0 mg/m3; 18 atypical curves were also obtained, these atypical curves do not agree with the trend of the data distribution. When plotting the monthly average curves, it was observed that the months of July, August and September presented lower concentration values ​​for this pollutant. The mean curve showed a maximum value of 1.1 mg/m3 at 07:00 and an approximate value of 0.75 mg/m3 between 19:00 and 20:00.

Keywords: descriptive analysis; functional data; carbon monoxide; statistical software R; fda.usc package.

 

Resumo

O objetivo deste estudo � analisar descritivamente os dados funcionais do mon�xido de carbono na �rea central de Quito, para os anos de 2019 e 2020; para o qual foi utilizado o software estat�stico R, com o pacote "fda.usc" (Functional data analysis and utilities for estat�stico computacional) vers�o 2.0.2. Na an�lise descritiva, foram feitos gr�ficos explorat�rios, obtendo-se curvas at�picas, gr�ficos sem curvas at�picas, curvas m�dias mensais e obten��o de curvas m�dias com bandas de confian�a. Os resultados obtidos com o estudo indicaram que o comportamento do mon�xido de carbono � irregular ao longo do dia, com valores mais elevados por volta das 07:00 atingindo aproximadamente 3,26 mg/m3 e um pequeno aumento na concentra��o deste poluente. aproximadamente 2,0 mg/m3; Tamb�m foram obtidas 18 curvas at�picas, essas curvas at�picas n�o concordam com a tend�ncia da distribui��o dos dados. Ao tra�ar as curvas m�dias mensais, observou-se que os meses de julho, agosto e setembro apresentaram valores de concentra��o mais baixos para esse poluente. A curva m�dia apresentou valor m�ximo de 1,1 mg/m3 �s 07:00 e valor aproximado de 0,75 mg/m3 entre 19:00 e 20:00.

Palavras-chave: An�lise descritiva; dados funcionais; mon�xido de carbono; software estat�stico R; pacote fda.usc.

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Introducci�n

La contaminaci�n del aire es actualmente uno de los problemas ambientales m�s severos a nivel mundial. Est� presente en todas las sociedades, independientemente del nivel de desarrollo socioecon�mico, y constituye un fen�meno que tiene particular incidencia sobre la salud del hombre. (Romero Placeres, Diego Olite, & �lvarez Toste, 2006)

Para monitorear los contaminantes presentes en el aire el Municipio del Distrito Metropolitano de Quito crea la Red Metropolitana de Monitoreo Atmosf�rico (REMMAQ) con el pr�stamo 822/OC-EC del Banco Interamericano de Desarrollo otorgado al Gobierno de la Rep�blica del Ecuador el 13 de octubre de 1994. (Municipio del Distrito Metropolitano de Quito, 2021)

La finalidad de la REMMAQ es producir datos confiables sobre la concentraci�n de contaminantes atmosf�ricos como es el caso del mon�xido de carbono (CO), di�xido de azufre (SO2), di�xido de nitr�geno (NO2), Ozono (O3) y material particulado fino o de di�metro menor a 2,5 micr�metros (PM2,5); en el territorio del Distrito Metropolitano de Quito, datos disponibles al p�blico en general desde su p�gina web www.quitoambiente.gob.ec apartado Red de Monitoreo Atmosf�rico, descarga datos hist�ricos. (Allauca Pancho, 2021)

Numerosos estudios utilizan el an�lisis funcional de datos para describir ciertos fen�menos f�sicos, teniendo como base datos meteorol�gicos, como temperatura, radiaci�n solar, humedad, velocidad del viento, presi�n, entre otras; donde se utiliza el software estad�stico de libre distribuci�n R, con �nfasis en el uso de las librer�as fda y fda.usc para su descripci�n. (Allauca Pancho, 2021)

El an�lisis funcional tiene buenos resultados manejando vol�menes de datos elevados, el objetivo de este estudio es analizar descriptivamente el mon�xido de carbono de la zona centro de Quito usando datos funcionales.

 

Metodolog�a

El estudio se realiza por medio de investigaci�n cient�fica con paradigma positivista, el enfoque utilizado es el enfoque cuantitativo, con dise�o no experimental transversal o transeccional. Para el desarrollo de la investigaci�n se utiliza la investigaci�n descriptiva, con la modalidad de investigaci�n documental.

Los datos del mon�xido de carbono presentes en la zona centro de Quito son los registrados por la Red Metropolitana de Monitoreo Atmosf�rico de Quito (REMMAQ), para los a�os 2019 y 2020; los mismos que se pueden encontrar en la p�gina web de la Secretar�a de Ambiente de Quito (www.quitoambiente.gob.ec), apartado, Red de Monitoreo Atmosf�rico, link, descarga datos hist�ricos.

La poblaci�n es el conjunto de todos los datos de mon�xido de carbono presentes en la zona centro de Quito a lo largo de todo el tiempo, la muestra de estudio son los datos registrados para los a�os 2019 y 2020 por la REMMAQ, estos datos fueron registrados cada hora del d�a.

El procesamiento de la base de datos proporcionada por la REMMAQ fue el siguiente:

-Seleccionar los datos de este contaminante para los a�os 2019 y 2020.

-Crear una hoja de c�lculo en Microsoft Excel con los datos seleccionados.

-Ordenar los datos en filas de manera cronol�gica para los d�as y en columnas para las horas del d�a.

-Completar datos faltantes por medio de interpolaci�n lineal.

-Leer en el software estad�stico R la hoja de Microsoft Excel.

-Suavizar cada base de datos en el software R.

-Hallar los datos at�picos de cada base de datos.

-Determinar la curva media y la banda de confianza.

 

 

Resultados

Los resultados obtenidos se presentan a continuaci�n:

 

Curvas diarias:

 

Figura 1: Curvas diarias del mon�xido de carbono para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

 

 

Valores at�picos funcionales:

 

Figura 2: Funciones at�picas del mon�xido de carbono para los a�os 2019 y 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

 

Curvas diarias sin valores at�picos funcionales:

 

Figura 3: Gr�fica exploratoria del mon�xido de carbono sin curvas at�picas

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

Curvas medias mensuales:

 

Figura 4: Curvas medias mensuales del mon�xido de carbono para el a�o 2019

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

Figura 5: Curvas medias mensuales del mon�xido de carbono para el a�o 2020

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

 

 

 

Curva media funcional con entorno de confianza bootstrap al 95%:

 

Figura 6: Estimador de curva media con entorno de confianza bootstrap al 95% del mon�xido de carbono para los a�os 2019 y 2020.

Realizado por: Allauca Fabi�n, 2021

 

DISCUSI�N

Curvas diarias:

En la Figura 1, se puede observar las 700 curvas diarias del mon�xido de carbono correspondiente a los a�os 2019 y 2020, en la cual se aprecia unos picos alrededor de las 07:00 llegando a alcanzar aproximadamente los 3.26 mg/m3 y un peque�o incremento de la concentraci�n de este contaminante alrededor de las 19:00 alcanzando aproximadamente los 2.0 mg/m3; coincidiendo esta tendencia con las horas de m�ximo tr�fico vehicular en la zona centro de Quito. Cabe mencionar que el mon�xido de carbono se forma por la combusti�n incompleta por d�ficit de ox�geno, cuya principal fuente son los veh�culos automotores.

La concentraci�n m�s elevada alrededor de las siete de la ma�ana se puede deber al proceso de fotos�ntesis que realizan las plantas, absorbiendo carbono del ambiente durante el d�a y dej�ndolo de hacer durante la noche, puesto que para realizar este proceso las plantas necesitan de luz solar.

 

Valores at�picos funcionales:

Las curvas de los d�as at�picas corresponden a los siguientes d�as:

���������� 9 de enero de 2019

���������� 20, 23, 24, 25, 29, 30 y 31 de marzo de 2019

���������� 3 y 25 de abril de 2019

���������� 13 de mayo de 2019

���������� 12 y 13 de junio de 2019

���������� 25 de noviembre de 2019

���������� 12 de febrero de 2020

���������� 14 de mayo de 2020

���������� 14 de julio de 2020

���������� 19 de septiembre de 2020

 

La Figura 2 muestra 18 curvas de los d�as at�picos, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para el mon�xido de carbono, ya que en algunas horas del d�a muestran valores m�s altos en comparaci�n a las otras curvas. Se observa que el mes de marzo de 2019 posee 7 d�as at�picos, pudi�ndose deber posiblemente alguna falla del equipo recolector de datos o alg�n motivo que incremento la concentraci�n de este contaminante.

Para tener una mayor visualizaci�n de la tendencia de la distribuci�n de los datos funcionales para el mon�xido de carbono, se grafica sin estas 18 curvas at�picas, la Figura 3, muestra la gr�fica exploratoria sin curvas at�picas; cabe recalcar que, para un posterior an�lisis, no se eliminaran estas curvas at�picas, puesto que se desconoce el origen de tal comportamiento.

 

Curvas medias mensuales:

Las Figuras 4 y 5 muestran las curvas de las medias mensuales del mon�xido de carbono para los a�os 2019 y 2020 respectivamente. En la figura correspondiente al a�o 2019 se aprecia que las medias m�s altas corresponden a los meses de febrero, marzo y abril; mientras que los meses con medias m�s bajas corresponden a los meses de julio, agosto y septiembre; coincidiendo de alguna manera con los meses de vacaciones escolares.

En la Figura 5 se aprecia un comportamiento de las medias m�s parejo y menor en comparaci�n con las curvas del 2019, esto se puede deber a que en el a�o 2020 se produjo la pandemia de covid-19, trayendo consigo un aislamiento y por ende a una menor circulaci�n vehicular sobre todo en los meses de abril y mayo.

 

Curva media funcional con entorno de confianza bootstrap al 95%:

La media funcional para los datos del mon�xido de carbono se puede apreciar en la Figura 6, como tambi�n el entorno de confianza bootstrap al 95%. La curva media mostrada en color azul indica la tendencia vista anteriormente por los datos de este contaminante; donde se puede apreciar un mayor incremento alrededor de las 07:00, como tambi�n un ligero incremento alrededor de las 19:00.

La curva media llega a un valor m�ximo de 1.1 mg/m3 a las 07:00 y un valor aproximado de 0.75 mg/m3 entre las 19:00 y 20:00. Cabe recalcar que estos valores, incluso el m�ximo registrado (3.26 mg/m3) a las siete de la ma�ana del d�a 13 de junio de 2019, tomados a una temperatura ambiente de 10.28 �C y a una presi�n atmosf�rica de 0.719 atm�sferas; no conlleva ning�n efecto perjudicial para la salud, ya que, de acuerdo a organismos internacionales, se ha fijado un valor l�mite de la media de ocho horas m�xima en un d�a para la protecci�n de la salud humana de 10 mg/m3. (Consejer�a de Salud de la Regi�n de Murcia, 2021)

 

Conclusiones

• Los datos del mon�xido de carbono (CO) describieron un comportamiento irregular a lo largo del d�a, se observ� picos alrededor de las 07:00 y 19:00 llegando a alcanzar aproximadamente los 3.26 mg/m3 y 2.0 mg/m3 respectivamente; coincidiendo esta tendencia con las horas de m�ximo tr�fico vehicular en la zona centro de Quito.
• Se observ� 18 curvas at�picas, estas curvas no concuerdan con la tendencia de la distribuci�n de los datos para este contaminante; el mes de marzo de 2019 posee 7 d�as at�picos, esto se puede deber posiblemente a alguna falla del equipo recolector de datos.

La curva media para los datos del CO lleg� a un valor m�ximo de 1.1 mg/m3 a las 07:00 y un valor aproximado de 0.75 mg/m3 entre las 19:00 y 20:00. Estos valores, incluso el m�ximo registrado (3.26 mg/m3) a las 07:00 del d�a 13 de junio de 2019, no conlleva ning�n efecto perjudicial para la salud, ya que el valor l�mite es de 10 mg/m3. �

 

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).