Metodologia para a Monitoração do Estado de Calibração do Radar Meteorológico de Belém

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1 Metodologia para a Monitoração do Estado de Calibração do Radar Meteorológico de Belém Carlos Simões Pereira 1, Marcio Nirlando Gomes Lopes 1, Bernardino Simões Neto 1, Frank B. Baima Sousa 1 1 Sistema de Proteção da Amazônia SIPAM Avenida Júlio César, 7060 Val de Cans Belém-PA Brasil carlos.pereira@sipam.gov.br, marcio.lopes@sipam.gov.br, bernardino.simoes@sipam.gov.br, frankbaima@yahoo.com.br ABSTRACT: The sun irradiates an extensive range of electromagnetic frequencies, among them the one of the S-band (2 to 4 GHz), whose emissions has been used for calibration state verification of weather radars. The Amazonian Protection System used data of solar interference detected by the radar SBBE, installed in Belém, for monitoring the antenna aiming. For the evaluation of the sensibility threshold they were used data from Canadian monitoring station (Dominion Radio Astrophysical Observatory) of solar flow and the radar acquisition equation. Data produced by the Thunderstorm Identification, Tracking, Analisys and Nowcasting (TITAN) software they were used for verification of the scanning angles and accumulated precipitation. The results showed error values inside of acceptable patterns for validation of the observable data and derivation of meteorological parameters. Key-words: Solar interference, weather radar, receiver sensibility, TITAN RESUMO: O sol irradia uma extensa gama de freqüências eletromagnéticas, dentre elas as da banda S (2 a 4 GHz), cujas emissões têm sido usadas para a verificação do estado de calibração de radares meteorológicos. O Sistema de Proteção da Amazônia utilizou dados de interferência solar detectados pelo radar SBBE, instalado em Belém, para a monitoração do apontamento da antena. Para a avaliação do limiar de sensibilidade foram utilizados dados da estação Canadense de monitoração de fluxo solar Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO) e uso da equação de aquisição do radar. Dados produzidos pelo software Thunderstorm Identification, Tracking, Analisys and Nowcasting (TITAN) foram usados para verificação dos ângulos de varredura e precipitação acumulada. Os resultados mostraram valores de erro dentro de padrões aceitáveis para validação dos dados observáveis e derivação de parâmetros meteorológicos. Palavras-Chaves: Interferência Solar, radar meteorológico, sensibilidade do receptor, TITAN. 1- INTRODUÇÃO A verificação dos parâmetros operacionais de um radar meteorológico é uma tarefa que necessita da utilização de equipamentos de teste e procedimentos precisos tanto na monitoração do estado de calibração do sistema como na calibração propriamente dita, incorrendo em custos consideráveis, mas necessários para a garantia da fidelidade dos dados coletados. Diversas pesquisas foram realizadas buscando investigar maneiras mais simples de monitoração desses sistemas com o objetivo de determinar o momento mais apropriado para dar início a uma campanha de calibração (HOLLEMAN; BEEKHUIS, 2004; MCGRATH,

2 2002; ATLAS, 2002). Uma dessas técnicas faz uso da interferência solar como detectado pelo radar para monitoração do estado de calibração. O SIPAM adotou uma metodologia simples utilizando a detecção de sinais de interferência solar para o monitoramento do status do radar de Belém para checar os seguintes parâmetros: ângulo de azimute, ângulo de elevação utilizado nas varreduras volumétricas e sensibilidade do receptor. 2- MATERIAL E MÉTODOS Vários tipos de dados podem ser usados para uso em monitoração de radares meteorológicos. As informações disponíveis pelo DRAO permitem monitorar o valor do fluxo solar no comprimento de onda de 10,7 cm (2,8 GHz), em unidades de fluxo (solar flux unitsfu) equivalente a W/m 2 /Hz, como mostrado na Figura 1, e pode ser utilizado para verificação do limiar de sensibilidade do receptor. Estes dados são disponibilizados diariamente e coletados em três horários específicos: 17, 20 e 23 UTC. Figura1 Média mensal do fluxo solar. Fonte: DRAO < O fluxo solar recebido pelo radar é calculado pela equação: onde P r é a potência solar recebida (watts), S é o fluxo solar (W m 2 Hz 1 ), BW n é a largura de banda (MHz), e A e é a área efetiva da antena (m 2 ). O aplicativo TITAN permite o cálculo dos valores dos ângulos de elevação utilizados, baseado no máximo de irradiação em cada raio (beam) medido pelo radar, os quais foram comparados com os valores definidos no software de controle (Definition of Acquisition da GAMIC-DEAC) e usados como indicativo de qualidade dos ângulos de elevação utilizados. Os eventos de interferência solar detectados pelo radar de Belém foram analisados e suas ocorrências comprovadas baseadas nas características do sinal apresentados na tela do radar. A Figura 2 mostra o alinhamento no azimute 90º correspondendo à passagem do sol (1)

3 pelo ponto equinocial (outonal), no trajeto aparente do sol de sul para norte nos dias 20 e 21 de março de Figura 2 Visualização do TITAN (modo Rview) mostrando a passagem aparente do sol pelo ponto outonal. Apenas a informação visual obtida através do TITAN (Figura 2) já denota o estado de calibração do radar quanto ao apontamento da antena em azimute. 3- RESULTADOS E DISCUSSÃO Como padrão operacional para radares meteorológico foram usados aqueles adotados pela Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), com valores mínimos para os desvios de azimute e elevação, e desvio em potência recebida pelo radar de acordo como mostrado na Tabela 1. Tabela 1 - Padrões de recepção segundo KNMI Desvio de azimute a 200 km para precisão de 1 km < 0,3º Desvio do ângulo de elevação < 0,1º Desvio de potência recebida < 1 db Os valores dos azimutes medidos como aqueles mostrados no display do radar foram comparados com os valores do azimute solar para o dia e hora da detecção, obtidos do United States Naval Oceanography (USNO) e mostrados na Tabela 2. Tabela 2 Comparação de azimutes TITAN USNO Dia Hora UTC Azimute TITAN ( ) Azimute USNO ( ) Desvio ( ) 20 09:55:55 90,76 89,90 0, :55:57 90,00 89,50 0, :55:55 90,00 89,20 0, :55:55 89,00 88,80 0, :55:54 89,00 88,40 0, :55:54 88,00 88,00 0, :57:00 87,00 86,80 0,20 média 0,45 desvio padrão (σ) 0,303

4 Para a verificação do ângulo de elevação do radar foram utilizados os dados calculados a partir dos dados de varredura volumétrica, raio a raio, pela rotina TITAN e comparados com os valores definidos para as varreduras, como mostrado na Tabela 3. Tabela 3 Valores dos ângulos de varredura estabelecidos e os valores calculados. Varredura Ângulo (grau) 0,90 1,50 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Calculado (grau) 0,81 1,42 1,93 2,91 3,93 4,92 5,93 6,92 7,93 Desvio (grau) 0,09 0,08 0,07 0,09 0,07 0,08 0,07 0,08 0,07 Tabela 3 Valores dos ângulos de varredura estabelecidos e os valores calculados (continuação) Varredura Ângulo (grau) 9,00 10,50 12,00 13,50 15,00 16,50 18,00 19,50 Calculado 8,91 10,41 11,93 13,42 14,92 16,41 17,93 19,42 (grau) Desvio (grau) 0,09 0,09 0,07 0,08 0,08 0,09 0,07 0,08 Média 0,079 Desvio padrão (σ) 0,008 O processador de sinais do SBBE opera sobre a equação do radar: onde P r é a potência recebida, r é o alcance em km, C é a constante do radar em db (139,608 db para o SBBE), RN é a normalização de alcance (até 120 km), N l é a potência de ruído, α é a atenuação gasosa, dbz 0 é a refletividade de calibração (Technical Handbook and Programming Manual, 1997). Para avaliação do limiar de sensibilidade do receptor foram utilizados os dados da Tabela 4. Esses dados foram obtidos registrando-se o valor de dbz recebido e calculando-se os valores de dbm em função da tabela de calibração (mm/h dbm recebido) utilizada no radar SBBE no dia 20 de março de 2010, às 09:55 UTC. Tabela 4 Valores de dbz relativo a interferência solar, convertidos para dbm e abatido a normalização de range aplicada (até 120 km). Distância (km) dbz 9,3 8,8 8,3 12,3 13,2 13,3 14,6 dbm -106,5-106,9-107,5-103,5-102,9-102,5-101,2 Na Tabela 5 são mostrados os dados de fluxo solar (10 22 W/m 2 /Hz) recebidos pelo observatório DRAO e os valores de dbm calculados pela equação (2). Tabela 5 Variação do fluxo solar para o dia 20/03/2010 segundo DRAO e convertidos para dbm recebidos no SBBE. Data / Hora UTC Fluxo dbm / ,3-103, / ,5-103, / ,4-103,43 Adotou-se o valor de 100 km para avaliação da sensibilidade do receptor, pois quanto mais próximo do radar, maior é a influência de lóbulos secundários e, porque para distâncias superiores a 120 km não é realizada a normalização dos valores recebidos. (2)

5 Desta forma, comparando-se os valores da Tabela 4 na distância de 100 km de alcance do radar com os valores detectados pelo DRAO na Tabela 5, verifica-se que os níveis de irradiação medidos pelo radar SBBE correspondem àqueles medidos pelo Observatório Canadense (DRAO). Assim, no tocante à sensibilidade do receptor, o radar SBBE está de acordo com os parâmetros de calibração. 4- CONCLUSÕES Uma metodologia simplificada para a monitoração do radar meteorológico de Belém foi apresentada fazendo uso de dados de interferência solar captados pelo radar, dados produzidos pelo aplicativo TITAN, dados fornecidos pelo observatório DRAO e tabelas de azimutes solar fornecidos pela USNO, capazes de atestar a qualidade dos dados derivados e sinalizar a momento para início de um processo de calibração. Os resultados em valores de desvios de apontamento da antena de 0,303 para azimute, 0,008 para elevação e comparação da sensibilidade do receptor com dados de fluxo solar de 0,07 db mostraram que o estado de calibração do radar encontra-se em nível aceitável, embora a amostragem dos dados não tenha abordado todo o espectro de deslocamento aparente do sol. Essa metodologia poderá ser aperfeiçoada com a aplicação de fórmulas exatas para cálculo dos parâmetros solares em função do dia e das coordenadas geográficas. Adicionalmente, comparações utilizando dados pluviométricos observacionais das estações meteorológicas de superfície e as estimativas do radar deverão tornar esta metodologia mais precisa. 5-REFERÊNCIAS HOLLEMAN, I.; BEEKHUIS; H. Weather Radar Monitoring using the Sun. Technical Report, KNMI TR-272, De Bilt, Netherlands, Disponível em: MCGRATH, K.M. Calibration of the Doppler on Wheels System Gain using solar flux. Center for Severe Weather Research, Boulder, Col. USA ATLAS, D. Radar Calibration - Some Simple Approaches. Bulletin of the American Meteorological Society, v. 91, p , Naval Oceanography Portal. Disponível em: GAMIC mbh. Technical Handbook and Programming Manual Disponível em: