à atmosfera, considera a atenuação e a reflexão devido à presença das nuvens.

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1 457 RESUMO ESTIMATIVA DA RADIAÇÂO SOLAR INSTANTÂNEA POR SAT~LITE PARA C~U CLARO OU ENCOBERTO Nelson Arai Fausto Carlos de Almeida Usando um modelo físico de transferência radiativa e imagens obtidas por um satélite meteorológico geoestacionário (GOES), e estimada a radiação solar instantânea na faixa entre 0,55 e 0,75 ~m que chega à superfície terrestre. são considerados alguns 'efeitos atenuadores da radiação, tais corno a absorção pelo vapor d'água e o espalhamento Rayleigh e também a absorção e espalhamento devido as nuvens. são analisados alguns casos específicos deste tipo de estimativa para a região de são José dos Campos.. Os resultados obtidos são comparados com dados de "verdade terrestre" coletados simultaneamente por piranômetro. 1. INTRODUÇÃO A radiação solar que chega à superfície terrestre é um parâmetro de real utilidade na Meteorologia, com aplicações na Climatologia, Agricultura e na pesquisa de fontes alternativas de energia. O método convencional adotado para este tipo de medida utiliza piranômetros. O inconveniente deste método é apresentar pequena,resolução espacial devido à falta de uma rede solarimétrica suficientemente densa; além da dificuldade de fazer medidas em locais de difícil acesso e regiões marítimas. Esta limitação pôde ser minimizada com o advento dos satélites meteorológicos que permitem este tipo de estimativa com uma resolução temporal até 30 minutos e uma resolução espacial de cerca de 1 quilômetro no ponto subsatélite. As estimativas foram feitas usando técnicas estatísticas com dados obtidos por satélite geoestacionário (Tarplay, 1979) e através de modelos físicos corno os de Gautier et alii (1980). O presente trabalho baseia-se no modelo desenvolvido por Gautier et alii (1980), por parecer mais promissor e de uso mais geral. Neste modelo físico a radiação solar que chega à superfície é estimada através de medidas 'de brilho obtidos pelo satélite meteorológico GOES. O modelo, além de levar em conta a atenuação da radiação devido à atmosfera, considera a atenuação e a reflexão devido à presença das nuvens. 2. MODELO PARA C~U CLARO Neste modelo os efeitos atenuadores da radiação solar incidente são 10 espalhamento por efeito Rayleigh e a absorção pelo vapor d I água. IInstituto de Pesquisas Espaciais - INPE/CNPq.

2 458 A energia incidente atenuação A equaçao por: OCt = OCt = Fo = radiante percebida pelo satélite dependerá da energia no topo.da atmosfera, do albedo da superfície e da atmosférica. da energia radiante percebida pelo satélite é dada fluxo radiante ascendente de onda curta, percebido pelo satélite (W.m- 2 ), fluxo solar radiante instantâneo de onda curta no topo da atmosfera (W.m- 2 ), a = coeficiente de reflexão para a radiação direta (adimensional), ai = coeficiente de reflexão para a radiação difusa (adimensional), A = albedo da superfície (adimensional), a(ui)' a(u2) = coeficientes de absorção para a trajetória da radiação no vapor d'água: UI para o ângulo solar e u2 para o ângulo do satélite (adimensional). Os coeficientes de reflexão a e ai foram obtidos através de metodologia sugerida por Coulson (1959). O espalhamento da radiação pelo solo é suposto isotrópico. A absorção da radiação solar pelo vapor d'água atmosférico foi estimada utilizando metodologias propostas por Paltridge (1973), Smith (1966) e Viswanadhan (1981). O albedo da superfície foi calculado pela expressão: OCt - Foa A = ( 2) Fo (1 - a) [1 - a (u I ) ] [1 - a (u2) ] (1 - a I ) A radiação de onda curta ascendente pode ser obtida diretamente dos dados de refletância (R) observados pelo satélite. A radiação de onda curta incidente na superfície é dada por: OC -I- = Fo (1 - a) (1 + Aa I) [1 - a (u I) ] ( 3) 3. MODELO PARA C~U ENCOBERTO Para o caso de ceu com nuvens, os efeitos atenuadores descritos para céu claro ocorrem acima e abaixo da camada de nuvens. Além disto, deve-se considerar a absorção e a reflexão da própria nuvem. Os processos que são levados em conta para céu nublado, e que determinam a intensidade do fluxo radiante de onda curta, medidos pelos sensores do satélite, são apresentados na Figura 1 j

3 459 Fig. 1 - Modelo de tranferência para ceu nublado. A E Absorção, Espalhamento. A informação fornecida pelo satélite é o brilho que indica a quantidade de energia que chega do topo da atmosfera, após os processos de trocas. Este valor de brilho indica a presença ou não de nuvens e fornece urna informação qualitativa acerca de sua espessura, quando estas se fazem presentes. As nuvens médias e baixas, do tipo estratiforme, são aquelas que atenuam com maior intensidade a radiação solar incidente. O cálculo da transferência radiativa não é feito para nuvens do tipo cirrus, devido à falta de conhecimento das propriedades dos cristais de gelo não esféricos de que são formadas. Como o conhecimento dos mecanismos de absorção pelas nuvens não é muito claro (Liou, 1976; Twomey, 1970), optou-se por urna aproximação também adotada por Gautier et alii (1980), na qual a absorção varia de zero (ausência de nuvens) a um máximo de 0,2 (nuvens espessas com grande desenvolvimento vertical). Embora o uso dos valores de brilho no canal visível possam ser questionados corno indicadores da absorção, seus efeitos parecem não influenciar seriamente os resultados, levando em conta que

4 460 a reflexão da nuvem é o mecanismo mais importante na redução da insolação na superfície. Assim, a energia radiante percebida pelo satélite em condições de céu coberto será: a(u4) = albedo das nuvens (adimensional)., = absorção da radiação acima da nuvem pelo vapor d'água (adimensional), = absorção da radiação abaixo da nuvem pelo vapor d'água (adimensional). Os outros parâmetros estão definidos na Equação 1. O primeiro termo da Equação 4 representa a quantidade de radiação espalhada pela atmosfera e o segundo, a energia refletida pela nuvem. O termo de reflexão do solo para este caso foi desprezado, pois, segundo Gautier et alii (1980), só é representativo sobre superfícies de alto albedo. Nesse caso a dada por: radiação de onda curta incidente na superfície sera OC -} = Fo (1 - a.) (1 - AC) (1 - abs) [1 - a (u] ) ] ' abs = absorção pelas nuvens (adimensional). ( 5) 4. PROCESSAMENTO DOS DADOS As informações fornecidas pelos sensores do satélite sao expressas em "counts" (níveis de cinza, que na faixa do sensor visível varia entre O e 63) que são convertidos em valores de refletância. Para a determinação exata da posição e valor do "count" de um "pixel" (elemento da imagem) são necessários dois tipos de correção: a "navegação" e a "calibração". O processo de "navegação" consiste na determinação preclsa de um ponto do sistema de coordenadas terrestre (latitude, longitude) em coordenadas da imagem (linha, elemento). Isto se faz necessário porque o satélite, embora seja chamado geoestacionário, não permanece como tal em relação a um ponto fixo na superfície da Terra. Para este fim foi adotada uma metodologia proposta por Hambrick e Philips (1980) e implementada no Brasil por Conforte et alii (1983). io processo de "calibração" consiste na padronização da resposta dos 8 sensores do satélite. Esta calibração se faz necessária, pois, com o decorrer do tempo, os sensores deterioram-se diferentemente. O método de calibração utilizado, baseou-se na metodologia proposta por Norton et alii (1980). O valor da refletância relaciona-se com o valor do através de: "count". I

5 461 (6) R = refletância, CT = "count". No cálculo da radiação solar incidente na superfície, é necessário saber se o "pixel" está ou não coberto por nuvens. Para tanto, estabelece-se um valor mínimo de brilho para as nuvens usando uma sequência de imagens. Se o valor do "count" for menor que este valor mínimo, usa-se o modelo para céu claro, caso contrário usa-se o modelo para céu nublado. 5. RESULTADOS A metodologia descrita foi usada num caso específico para a cidade de são José dos Campos (SP) (lat '39", lon '32") em cinco horários diferentes no dia 25 de fevereiro de Simultaneamente à gravação das imagens no canal visível, fornecidas pelo satélite GOES, foram feitas medidas com um piranômetro espectral na superfície. A faixa de sensibilidade dos sensores do satélite (0,55 a 0,75 ~m) é bastante próxima da do piranômetro, obtida pela diferença entre os filtros OGl e RG8 (0,525 a 0,70 ~m). Os valores de radiação estimada e Tabela 1. medida são apresentados na Tabela 1 - Observações feitas por satélite e por piranômetro HORÁRIO PIRANÔMETRO SAT:t:LITE-rDI;ERENÇA NEBULOSIDADE TMG OCi- (W.m- 2 ) OC4- (W.m- 2 )' (%) 09:50 26,5 38,0 43 ceu claro 11:12 108,8 125,0 I 15 ceu claro 13:12 199,1 219,0 10 ceu claro 15:12 229,2 256,0 11 ceu claro 17:00 115,0 112,0 3 ceu nublado O dia 25 de fevereiro de 1984, em são José dos Campos, caracterizou-se por condições de céu claro durante a manhã, com formação de nuvens do tipo cumulus a partir das 15 h TMG. Com o decorrer do período, estas nuvens evoluiram para o tipo cumulus humilis. Como observado no trabalho de Arai e Almeida (1982), no período da manhã, quando a intensidade da radiação incidente na superfície é baixa, parece haver uma discrepância mais acentuada entre os valores observados. No outros horários os valores observados apresentam uma diferença, em porcentagem, próxima da margem de erro instrumental (piranômetro).

6 462 Observa-se também que, embora seja somente estudado um caso para condições de céu coberto, o valor calculado usando imagem de satélite é bastante próximo daquele observado por piranômetro. 6. CONCLUSÕES No presente trabalho apresenta-se a viabilidade de estimar a radiação solar instantânea incidente na superfície para condições de céu claro ou encoberto, com boa resolução espacial e temporal, além de possibilitar o monitoramento deste parâmetro sobre áreas continentais de difícil acesso e sobre regiões oceânicas. Demonstra-se também a possibilidade de "navegar", "calibrar", setorizar e processar uma imagem de satélite para aplicações em meteorologia. A discrepância dos valores de radi~ção obtidos por satélite e por piranômetro nas primeiras horas do dia deve ser estudada com maior profundidade, embora seu efeito sobre a radiação total diária seja pequeno. Como no período da manhã a umidade é comumente alta, um efeito a ser detalhado é o comportamento da camada integrada de vapor d'água neste período. Deve-se estudar também a influência da radiação difusa neste tipo de medida, dada a sua importância nos períodos da manhã e da tarde. Outros fatores a serem considerados são: os erros inerentes aos próprios instrumentos (satélite e piranômetro) e as limitações do modelo físico que não inclui o efeito atenuador de aerossóis e de ozônio, presentes na atmosfer~. Deve-se ressaltar que, quando o cél estâ encoberto, a análise de um caso particular não pode ser conclusiva, mas o resultado obtido estimula o estudo de situações semelhantes. A etapa seguinte do presente trabalho consistirá, além dos detalhamentos propostos anteriormente, na integração dessas estimativas instantâneas para a obtenção de valores diários e mensais, para várias localidades do Brasil. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARAI, N.; ALMEIDA, F.C. Estimativa da radiação solar que chega ~ superfície terrestre utilizando satélite meteorológico. são José dos Campos, INPE-2567-PREj215. nov CONFORTE, J.C.; ARAI, N.; ALMEIDA, F.C. Navegação das imagens dos satélites meteorclógicos geoestacionários. são José dos Campos, INPE-2772-RPEj435. jun COULSON, K.L. Characteristics of the radiation emerging from the top of a Rayleigh atmosphere, 1 and 2. Planetary Space Science, 1(4) : , Apr GAUTIER, C.; DIAK, G.; MASSE, S. A simple physical model to estimate incident solar radi~tion at the surface from GOES satellite data. Journal of Applied Meteorology, ~(8) : , Aug

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