Estimativa da água precipitável utilizando dados do sensor MODIS-TERRA e Radiômetro de Microondas

Transcrição

1 Estimativa da água precipitável utilizando dados do sensor -TERRA e Radiômetro de Microondas Lia Amaral 1, Ramon Campos 2, Alan Calheiros, Nelson de Jesus Ferreira 4, Yoshihiro Yamasaki 5, Simone Sievert da Costa 1,5 Universidade Federal de Pelotas 2,,4, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais lia.meteorologia@gmail.com, ramon.braga@cptec.inpe.br, yamasaki@fis.ua.pt, alan.calheiros@cptec.inpe.br, nelson.ferreira@cptec.inpe.br,, simone.sievert@cptec.inpe.br RESUMO ABSTRACT: This study aims to investigate the quality of atmospheric soundings inferred by TERRA satellite, using the sensor (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) in comparison with sounding observed by the radiometer operating in the microwave band MP-A installed at CPTEC-INPE, Cachoeira Paulista (SP). Using radiometer observations as the reference, the quality of atmospheric soundings inferred for precipitable water, in mm, was calculated using bias, RMS differences and correlation values in a period of six month (January to J une of 2). The data shows that the correlation coefficient between radiometer and /TERRA retrieval is around.7, bias of 11, mm and the mean square error of 1.5 mm. The precipitable water values inferred by shows good quality over Cachoeira Paulista, moreover the dry period in region shows better correlation of data, the opposite occurs with bias and RMS differences. Further investigation on the performance of is required. Palavras-Chave:, Validação, Água precipitável 1. INTRODUÇÃO As informações de satélites meteorológicos e ambientais proporcionam enormes contribuições no âmbito de sondagens atmosféricas, como a inferência de perfis de temperatura, concentração de gases, conteúdo de vapor de água, entre outros. O conhecimento detalhado destes perfis é de extrema relevância para a previsão do tempo. Para fornecer colaborações aos avanços na previsão do tempo, principalmente à de curto e muito curto prazo ( nowcasting), verifica-se a necessidade de avaliar o desempenho de inferência de sondagens atmosféricas. Os modelos numéricos de previsão do tempo, bem como os previsores de tempo, necessitam de parâmetros para processar as previsões do tempo e dar suporte às operações referentes às mesmas. Para que os produtos de satélites sejam utilizados com fins operacionais, ou até mesmo de pesquisa, eles devem prover informações com a maior precisão possível, geradas de forma confiável e de fácil acesso. Assim, quantificar a precisão dos dados de satélite é um estudo de grande importância. Neste contexto, a qualidade dos dados de água precipitável, em mm, inferidos pelo sensor, a bordo do satélite TERRA, é explorada comparando-os com as sondagens atmosféricas de água precipitável obtida através de medições de superfície feitas pelo radiômetro de microondas MP-A instalado em Cachoeira Paulista (SP).

2 2. MATERIAIS E MÉTODOS A água precipitável inferida, com os dados do sensor e do Radiômetro de Microondas MP-A, são analisados para o período de seis meses (J aneiro a Junho de 2). A análise foi procedida selecionando apenas dos dados cujas datas e horários eram disponíveis de ambos os instrumentos (satélite e radiômetro). Como a análise foi feita para o total vertical integrado sobre uma área unitária, não foi procedida nenhuma interpolação vertical. A quantidade de água precipitável é calculada partir dos dados de perfis de temperatura e umidade inferidos através das radiâncias observadas pelo sensor e observados pelo radiômetro de Microondas MP-A. Os dados inferidos são baseados em modelos de regressão estatística que a partir das radiâncias de céu claro observadas pelos sensores inferem o perfil. Os perfis termodinâmicos do são inferidos para 2 níveis de pressão (entre 1hPa e 5hPa) com resolução espacial de 5km. De acordo com Rodrigo Souza (2), a pesar do sensor não ser essencialmente um sondador atmosférico - por possuir canais espectrais em comum com sondadores que operam a bordo de outros satélites - os perfis do podem ser utilizados em conjunto com outras informações de satélites meteorológicos para aprimorar o desempenho de modelos de previsão numérica do tempo. O radiômetro MP-A é um sensor não-imageador, que opera na banda do microondas passivo, da categoria Série A da Radiometrics Corporation, capacitado para inferir perfis verticais atmosféricos, desde a superfície até 1 km de altura. Este radiômetro utiliza 5 canais que são sensíveis às bandas de absorção do vapor de água e oxigênio. Ele permite extrair perfis com alta resolução, a temperatura (K), umidade relativa (%) e densidade de vapor da água (g/m ); e com baixa resolução o conteúdo de água líquida (g/m ) a partir da inversão da equação de transferência radiativa. Os perfis verticais são obtidos para 58 níveis distribuídos de forma exponencial até 1 km de altura. Para o cálculo da água precipitável utilizou-se a densidade de vapor da água, apresentado pelo radiômetro em g/m, e integrada para todos os níveis.. RESULTADOS As análises estatísticas (correlação, viés médio e erro médio quadrático - ERMQ) dos valores de água precipitável observados pelo radiômetro e inferidos pelo sensores na tabela 1 para o período mensal das amostras. A Fig.1 representa a regressão linear simples aplicada aos dados de ambos os instrumentos para todo o período de estudo. O coeficiente de correlação apresentou valor de aproximadamente,7. As medições de água precipitável pelo sensor apresentam um valor médio de,7 mm, enquanto o radiômetro de microondas apresenta,4 mm, que representa um viés (bias) de 11, mm, e o ERMQ do total de amostras foi de 1,5 mm. As Fig. 2 a 7 apresentam as sondagens de ambos os instrumentos para os meses de Janeiro a Junho de 2, para Cachoeira Paulista SP. A análise das figuras revela que os dois instrumentos apresentam um comportamento similar durante os meses de março a junho (Fig. 4 a 7), o que resulta na correlação significativa de.7. Durante os meses de Janeiro (Fig.2) e Fevereiro (Fig.), período em que o número de sistemas convectivos aumenta consideravelmente sobre a região, conseqüentemente, acarretou no aumento dos valores de água precipitável. Este aumento foi bem caracterizado pelos métodos de estimativa, entretanto o comportamento não foi semelhante. Durante este período os números de sondagens obtidas foram relativamente menores o que pode, eventualmente, ocasionar a maior discrepância entre os dois métodos analisados. Além disso, a variabilidade dos sistemas pode afetar a

3 comparação. Os meses de Maio e Junho (Fig. e 7), apresentam explicitamente um comportamento bem coerente que também coincide com àqueles que proveram um maior número de sondagens verticais. Tabela 1 Coeficientes estatísticos da avaliação mensal satélite versus radiômetro IÔMETRO Fig.1 Correlação da água precipitável inferida pelo sensor e Radiômetro de Microondas Mês Viés ERMQ Correlação Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho,7,1 8,2 1,5 14,25,4 8,88 1,8 1,8 14,5, 1,1,5,,47,8,72, Janeiro de 2 (dias) Fevereiro de 2 (dias) Fig.2 Água precipitável para Janeiro de Março de 2 (dias) Fig. Água precipitável para Fevereiro de Abril de 2 (dias) Fig.4 Água precipitável para Março de 2 Fig.5 Água precipitável para Abril de 2

4 Maio de 2 (dias) Junho de 2 (dias) Fig. Água precipitável para Maio de 2 Fig.7 Água precipitável para Junho de 2 4. CONCLUSÃO De uma maneira geral, os trabalhos encontrados na literatura científica têm mostrado o bom desempenho do sensor em inferir perfis atmosféricos (Seemann et al., 2, Kim et al., 24, entre outros). Uma clara vantagem de se inferir perfis atmosféricos com este sensor é a possibilidade de combinar informações de canais espectrais da região do visível e do infravermelho, que possuem alta resolução horizontal ( 1 km) no ponto nadir; comparada com as de outros sondadores de satélites helissíncronos, com resolução superior a 1 km. Do ponto observacional, os resultados apresentados são bastante interessantes sob três aspectos: a) diferentes plataformas de dados (ou níveis de aquisição) - radiômetro, em que as observações são realizadas na superfície com o radiômetro observando a atmosfera de baixo, e o satélite no espaço observando a atmosfera de cima; b) instrumentos que operam em diferentes faixas do espectro - ( infravermelho) e Radiômetro ( microondas); c) métodos de inferência - (regressão estatística) Radiômetro (redes neurais) A análise preliminar sobre o comportamento da inferência para água precipitável obtido do sensor e do Radiômetro de Microondas revela que, apesar dos dados fornecidos pelo sensor apresentarem uma superestimativa, em relação àqueles obtidos pelo Radiômetro de Microondas, ambos apresentam perfis coerente de água precipitável com correlação de.7. Esse fato requer, portanto a continuidade de se explorar a qualidade dos processos de inferência e o comportamento dos perfis da água precipitável, por cada sensor, avaliados sob situações sinóticas específicas; bem como avaliar o desempenho por meio de dados observado por radiossondagens. AGECIMENTOS Ao Programa de Educação Tutorial (PET/MEC) por viabilizar a participação de L.M.C.Amaral. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 Costa, S. M. S. ; Rodrigues, J. V. ; GONCALVES, W. A. ; SOUZA, R. A. F.. Performance of sounding retrievals from AIRS, GOES1, and HIRS Radiances during Mini-Barca campaign June 28. In: XIV - Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 2, Natal. XIV - Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. São José dos Campos : INPE, 2. SEEMANN, S.W. et al - Atmospheric profile retrieval algorithm theoretical basis document. Madison, 2. Disponível: Acessado em: 1 fev.. SOUZA, R.A.F. Inferência de perfis atmosféricos. INPE, 2. Disponível em: Acessado em: 2 abril. SOUZA, R. A. F. ; CEBALLOS, Juan Carlos. Análise de desempenho de diferentes sistemas de sondagem sobre Rondônia durante o experimento RACCI/LBA. Revista Brasileira de Meteorologia, v., p. -141, 2. MUNTA, J.A. - Análise da Qualidade das Sondagens Atmosféricas inferidas via Satélite no CPTEC-INPE. Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica (PIBIC/CNPq/INPE), 2. Disponível em : Acessado em: 1 fev.. HOWELL, K.M. The relationship between total precipitable water as precipitation rates. Colorado,. Disponível em: Acessado em: 1 fev..