UMA ANÁLISE DE PROPRIEDADES RADIATIVAS DE NUVENS CIRROS NO NORDESTE USANDO IMAGENS MULTIESPECTRAIS DE METEOSAT-5

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1 UMA ANÁLISE DE PROPRIEDADES RADIATIVAS DE NUVENS CIRROS NO NORDESTE USANDO IMAGENS MULTIESPECTRAIS DE METEOSAT-5 Roberto Carlos Gomes Perera - ( 1 ) Juan Carlos Ceballos - ( 1 ) Centro de Prevsão de Tempo e Estudos Clmátcos Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas Abstract Crrus clouds propertes were deduced from Meteosat-5 mages durng the EIS project (Expermento Integrado do Sem- Árdo), along ten days n March-Aprl Brghtness temperatures n IV and WV channels were used. Clouds were dentfed by usng cluster analyss. From theoretcal methods and parameterzatons found n ltterature, typcal thermodynamc temperatures were 218K were obtaned (a heght of gpm when comparng wth soundng data); emssvtes vared between 0.88 and 0.97; optcal thcknesses n vsble spectrum were between 2 and 5.4. The results are smlar to others found n ltterature, suggestng the potental usefulness of satellte mages for determnng atmospherc parameters used n crculaton models. 1 - INTRODUÇÃO Os Crros fazem parte de uma famíla composta por nuvens altas com extensões horzontas que estão entre 15 e 100 Km e estão no nteror de regões com fortes movmentos convectvos. São classfcadas em três espéces: crros, crrocúmulos e crro-estratos, que possuem uma mesma formação e alttude em comum e têm, quanto às suas formas e orgem, pequenas dferenças. Quanto a sua consttução, são quase que exclusvamente compostos por crstas de gelo e gotículas d água fortemente super-resfradas com temperaturas que atngem valores de -60 C (Sassen et al. 1989). Durante as últmas décadas as propredades radatvas dos sstemas crros têm gerado um crescente nteresse na comundade meteorológca mundal que estuda a radação atmosférca. Isto se deve a que, sendo de grande extensão, esse tpo de nuvem é um modulador potencal e sgnfcatvo no balanço radatvo da Terra. Devdo a sua semtransparênca no espectro vsível, permtem a entrada de boa parte da radação solar. Entretanto, são bastante opacas para a transmssão de radação no espectro termal, funconando como um tampão vrtual para a radação emergente do sstema Terra-atmosfera. Por causa de sua elevada alttude sua temperatura é baxa; dessa forma, ao mesmo tempo que absorvem e reemtem radação de volta para o planeta, a perda radatva para o espaço planetáro é relatvamente menor do que para as nuvens mas baxas. Determnações expermentas de suas propredades requerem aparelhos sofstcados (em partcular, de aeronaves). Tem-se tentado aprovetar a nformação fornecda por satélte, com base na teora de propagação de radação na atmosfera e com modelos mcrofíscos destas (Fu e Lou, 1993). No presente trabalho apresentam-se resultados de uma aplcação às condções atmosfércas do Nordeste, aprovetando os dados do Projeto Expermento Integrado do Sem-Árdo (EIS). 2 - DADOS UTILIZADOS Neste trabalho foram usados dados coletados durante o Projeto EIS, realzado no período de 25 de março a 05 de abrl de 1995, no qual estavam ncluídos város subprojetos, como o EMAS (Expermento de Meso escala na Atmosfera do Sertão), com radossondagens nos horáros snótcos 1 Grupo de Aplcações de Satéltes Meteorológcos - CPTEC/INPE.

2 durante o período do projeto, e o RADSAT (Radação-Satélte), com meddas de radação solar, captação e gravação de magens dos satéltes NOAA-12, 14 e Meteosat-5. As magens utlzadas neste trabalho foram do Meteosat-5, gravadas medante colaboração entre o Departamento de Cêncas Atmosfércas (DCA) da Unversdade Federal da Paraíba (UFPb) e o Laboratóro de Meteorologa, Recursos Hídrcos e Sensoramento Remoto do Estado da Paraíba (LMRS-PB). Os canas utlzados foram vsível (VIS), Infravermelho (IV) e vapor dágua (WV) em um recorte de 200x200 pxels que cobre todo o Nordeste, fcando de fora apenas uma pequena parte ao Sul de 17 S. O processamento computaconal de magens fo realzado medante mcrocomputador PC, com programação em Turbo-Basc. As sondagens utlzadas correspondem a Barbalha (7 o 13 S; 37 o W), no Estado do Ceará, e Campna Grande (7 o 13 S; 35 o W), no Estado da Paraíba, e foram ceddas pela Coordenação do projeto EMAS junto à UFPb, Campus II, Campna Grande (Pb). 3 - METODOS O prmero passo fo a dentfcação de crros em magens multespectras, antes de nferr sobre parâmetros como temperatura, emssvdade, transmtânca, profunddade óptca e alttude. Para a classfcação utlzou-se um método estatístco baseado na análse de característcas de segmentos de magens de satélte através de uma representação gráfca de hstogramas b ou multdmensonas, dependendo do número de canas espectras utlzados. Acetando que um tpo de cena (superfíce de céu claro, camada de nuvens, etc.) tem níves de cnza ( counts ) característcos nos canas VIS e IR, os pcos de freqüênca evdencam grupos de cenas com os seus valores de counts característcos ou, pelo menos, mas freqüentes na magem (Tsons 1984; Phulpn et al. 1985). Este método pode usar como nformações complementares outras varáves dervadas das magens, que são as varâncas locas dos counts em torno de um pxel (elemento de magem), que caracterzam a "textura da magem, ou seja sua varabldade espacal local. Esses dados juntamente com os counts das magens permtem defnr dferentes grupos através de seus centros de gravdade (centródes) multdmensonas. O agrupamento dos pxels de uma magem fo feto pela menor dstânca eucldeana aos centros de gravdade, fazendo varas terações e estmando de cada vez uma nova méda e varânca de cada classe (Sèze e Desbos, 1987). Com sso novos centródes foram determnadas, até exstr uma dstnção entre as classes determnados por um crtéro; que neste caso, fo de um grupo ocupar determnada porcentagem da magem. A temperatura de brlho fo determnada com a equação que se encontra nos boletns mensas dvulgados pela EUMETSAT. A fgura 1 lustra as componentes das radâncas recebdas pelo satélte provenentes do sstema terra-atmosfera. Escrevendo estas componentes da radação para os dos canas do nfravermelho do Meteosat, temos: L = 2 1 L (Td = ε L (T )d+(1 ε ) N 1 L (T )d b (1) onde: - resposta espectral do sensor do satélte no comprmento de onda ; L, = 1,2 - radâncas regstradas nos canas espectras WV e IR do METEOSAT L (T N ), L (Tb ) - radânca de corpo negro para as temperaturas T N (temperatura termodnâmca da nuvem) e T b ( temperatura de brlho, à base da nuvem no canal ).

3 ε - emssvdade no canal ; d - elemento nfntesmal de comprmento de onda. Szejwach (1982) mostrou que as emssvdades das nuvens Crrus nos canas espectras IR e WV dferem entre s em menos de 6%. Com sto, as equações (1) se reduzem a uma relação lnear Ψ: L 1 (T1)= a L2(T2) + b (2) onde a, b são coefcentes constantes para uma nuvem em partcular. Os pares de radâncas espectras emtdas por um corpo negro nos canas WV e IR (1 e 2 respectvamente) para dversas temperaturas, descrevem uma curva Γ num plano (L 1, L 2 ). A reta ψ é determnada a partr de dversas radâncas L 1, L 2 sobre a magem do crro (correspondendo a posções com dversas espessuras). A nterseção ψ com Γ defne o par [L 1 (T), L 2 (T)] para a temperatura termodnâmca T = T N da nuvem. Conhecendo-se a radânca L que chega ao satélte provenente de uma nuvem semtransparente e as temperaturas T N e de superfíce, as eqs. (1) permtem avalar a emssvdade (ε). A alttude das nuvens é determnada a partr dos perfs atmosfércos provenentes de radossondagens e da temperatura termodnâmca encontrada. A transmtânca no nfravermelho é obtda a partr da le de Krchhoff, consderando que a absorção mas a transmtânca é gual à undade (não há reflexão de radação), e que a absorção é gual a emssvdade. A profunddade óptca no vsível (τ vs ) é determnada a partr de estmatvas teórcas de Fu e Lou (1993), os quas encontraram uma relação funconal com a emssvdade: τ vs = ln(1/1-ε)/b, onde b é um fator de ajuste gual a 0, RESULTADOS E CONCLUSÕES As nuvens crros encontravam-se assocadas a aglomerados convectvos, apresentando dos aspectos típcos: 1) tênue, nas bordas, e 2) espesso, mas ao centro do aglomerado. Estas nuvens estveram presentes durante todos os das observados, com uma cobertura sobre a regão de 20% a 60% da área e uma predomnânca maor no período noturno. A fgura 2 lustra a obtenção da temperatura termodnâmca de nuvem em um caso de crro. A varável escolhda é o count, obtendo-se um valor de nterseção 222, correspondente a T N = 215K. Em dez casos observados em oto das do EIS, encontraram-se temperaturas T N entre 224K e 215K. As alttudes encontradas osclaram entre 11970mgp e 13120mgp, valores usuas de lattudes tropcas. As maores alttudes foram observadas no período noturno; essas nuvens teram sdo provenentes de movmentos fortemente convectvos que ocorreram durante o da. Os valores de emssvdade vararam entre 0.88 e 0.97, sendo coerentes com os encontrados por Shenk e Curran (1973), e podendo ser consderados bons quando comparados com outros autores que utlzaram meddas precsas no cálculo da emssvdade (Beck et al. 1996). Para a transmtânca obtveram-se valores entre 2% e 15%; as maores transmtâncas estão relaconadas com as áreas tênues de nuvem, como era de se esperar. A profunddade óptca no vsível ( = 0,5 µm) stuou-se entre 2.04 e 5.39, dentro dos lmtes encontrados por Lou (1986), varando muto pouco em áreas tênues ao longo das observações. Nas áreas mas densas, observou-se maor profunddade óptca nos horáros durnos.

4 Os resultados evdencam que magens de satélte nos canas vsível, vapor d água e nfravermelho termal podem ser uma fonte valosa de nformações para avalar dversas propredades físcas de crros. Dada a mportânca destas no balanço de energa da atmosfera, tas estmatvas contrburam para o montoramento de alguns parâmetros físcos relevantes usados por rotnas radatvas em modelos de crculação (tas como alttude/temperatura, emssvdade, reflectânca, profunddade óptca de crrus). 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Beck, H.P.G.; Davs, J.M. e Cox, S.K. Radatve propertes of crrus clouds derved from surface nterferometrc measurements. J. of Appled Meteorology. 35: Fu, Q. e K. N. Lou. Parametrzaton of the Radatve Propertes of Crrus Cloud. J. of the Atmospherc Scences. 50: Lu, K. N. Influence of Crrus on Weather and Clmate Processes: The Global Pespectve. Mon. Wea. Rev. 114: Phulpn, T.; Derren, M.; Brard, A. A Two-Dmensonal Hystogram Procedure to Analyse Cloud Cover from NOAA Satellte Hgh Resoluton Data. J. of Clmate and Appled Meteorology. 22: Sassen, K., Starr, D.O'C. e Uttal, T. Mesoscale and Mcroscale Structure of Crrus Cloud s - Three Case Studes. J. of Atmospherc Scences. 44: Sèze, G; Desbos, M. Cloud Analyss from Satellte Imagery Usng Spatal and Temporal Charcaterstcs of the Data. J. of Appled Meteorology. 26: Shenk, W.E. e R. Curran. A mult-spectral method for estmatng crrus cloud top heghts. J. of Appled Meteorology 12: Szejwach, G. Determnaton of Sem-Transparent Crrus Cloud Temperature from Infrared Radances: Applcaton to METEOSAT. J. of Appled Meteorology. 21: Tsons, A. On the Separablty of Varous Classes from GOES Vsble and Infrared Data. J. of Clmate and Appled Meteorology. 23: Reconhecmento. O presente trabalho resume o desenvolvmento de dssertação de mestrado em meteorologa: Perera, R. C. G., Análse das Propredades Radatvas de Nuvens Crrus. UFPb, Campna Grande, 76 pp.pub. DCA CMM TD N o

5 SATÉLITE ε 1 L (T N ) (1 - ε 1 )L (T b1 ) ε 2 L (T N ) (1 - ε 2 )L (T b2 ) L (T b1 ) L (T b2 ) canal 1 canal 2 SOLO $!!!! %! & ' ( )%! # tênue espessa ƒ ƒ! " #

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