Técnicas de Estimativa de Precipitação em Microondas Passivo

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1 1 écnicas de Estimativa de Precipitação em Microondas Passivo 18 de outubro de 2002 Nos comprimentos de onda de microondas (~ mm até cm), as gotas de nuvem tem uma interação muito pequena com a radiação. Sendo que nesta faixa do espectro eletromagnético, as microondas penetram as nuvens. s gotas com tamanho precipitável (mm) interagem fortemente com a radiação em microondas, o que possibilita sua detecção por radiometres nestas frequências. desvantagem da utilização desta frequência é que eles tem baixa resolução espacial (3.5 km até 25 km) e temporal (orbitas polares e equatoriais). O conceito físico das tecnicas em microondas é que as particulas precipitáveis absorvem e espalham energia na faixa de microondas. Podemos utilizar os cáculos de Spencer et al. (1989) para ilustrar as diferentes propriedades da precipitação observadas em diferentes frequências, sendo que 3 pontos podem ser observados: Gelo geralmente não absorve radiação em microondas; somente espalha. Gotas liquidas absorvem e espalham, mas a absorção domina. Espalhamento e absorção aumentam com o aumento da frequência e a taxa de precipitação. Entretanto, o espalhamento por particulas de gelo cresce mais rápido com a frequência do que o o espalhamento do liquido.

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3 3 Consequentemente estas curvas nos levam a 2 conclusões: O espectro em microondas pode ser divido em 3 partes basicamente: 1 baixo de 22 GHz, absorção é o mecanismo primário que afeta RF em microondas; Espalhamento ocorre mas é de segunda ordem. 2 Entre 22 e 60 GHz, ambos o espalhamento e absorção são importantes. 3 cima de 60 GHz, o espalhamento domina a absorção. Diferentes frequências observam diferentes partes da estrutura vertical da chuva: 1 - baixo de 22 GHz, qualquer gelo acima da chuva é quase transparente; Logo radiometro em microondas respodem diretamente a camada de chuva. 2 cima de 60 GHz, o espalhamento de gelo é o processo dominante; os radiometros em microondas somente respondem ao gelo e não podem ver a chuva abaixo. Dessa maneira, estimativa de precipitação feita com frequências altas são mais indiretas que as feitas em baixa frequência. Um outro ponto relevante, o qual não pode ser esquecido, é que as gotas de nuvem, vapor d agua e oxigenio absorvem radiação na faixa de microondas e portanto tem o potencial de introduzir erros na estimativa de precipitação baseadas em absorção. Se um modelo de estrutura vertical de precipitação e condições atmosféricas (perfil vertical de temperatura e umidade relativa) for assumido, podemos utilizar as equação de transferência radiativa e calcular as temperaturas de brilho em microondas em função da taxa de precipitação. (Sensores a bordo do QU). Estes calculos dependem das variáveis assumidas na atmosfera (agua de nuvem e estrutura vertical da chuva), mas mostram um comportamento geral na presença de chuva, como apresentado na figura 9.16 assumindo um instrumento observando no nadir.

4 4 Figura 9.16 O comportamento das curvas de b x taxa de precipitação podem ser entendidos qualititativamente a partir das equações de transferencia radiativa. Usando a aproximação de Rayleigh-Jeans e assumindo por simplicidade que estamos olhando para baixo no nadir. d dz ' = σ ( ) + σ ( ) (1) a s where < b> é a temperatura de brilho média pesada direcionalmente ' 1 ' ' = p( ψ ) dω (2) 4 π 4 π

5 5 se ignoramos por agora o temo de espalhamento, a equação (1) se torna: d dz = σ ( ) (3) a ssumindo que é quase que constante na camada de chuva ( = a) e notando que o coeficiente de absorção volumétrico é quase que zero, exceto na camada de chuva, podemos integrar a equação (3) : τ + ( 1τ ) (4) = S onde τ é a transmitancia da camada de chuva S é a temperatura de brilho da superfície, que é a soma da emissão da superfície e temperatura de brilho do céu refletida. [ (1 τ τ ] ε + ( 1 ε) ) + (5) S S Combinando (4) e (5) temos space S space 2 [ 1 ετ (1 ε) ] 2 ετ + ( 1 ε ) τ + τ (6) Ignorando os termos space, temos: ε (7) S τ (1 ε) τ a transmitância da camada de chuva é dada aproximadamente por: τ exp { σ a D} (8) onde D é a espessura da camada de chuva. Estas equações são melhores aplicadas para frequências inferiores a 22 GHz, onde gelo acima da camada de chuva é quase que transparente. Examinando a equação (7), temos que para τ = 1 (sem chuva), = ε S. Sendo que para τ decrescendo (chuva aumentando), converge para.

6 6 Isso é esperado uma vez que para τ se aproximando de zero, a camada de chuva ira obscurecer a superfície enquanto crescendo visivelmente. Sobre superfícies oceânicas (agua), aumenta dramaticamente com a taxa de precipitação, uma vez que a emissividade (ε) é pequena (Figura 9.17), logo a superfície de agua de fundo é FRI (ε S ~ 150 K). reas de chuva são facilmente detectáveis por causa do contraste com o fundo frio. Sobre regiões de terra seca (aridas), onde ε ~ 0.9, as mudanças de com a taxa de precipitação são pequenas (ou abscentes) e não tem muito uso na estimativa de precipitação.

7 7 Duas dificuldade existem em se calcular a taxa de precipitação a partir das medidas de temperatura de brilho: taxa de precipitação é relacionada com σa, mas as medidas de b são relacionadas com o produto σad, logo para calcular a taxa de precipitação temos que saber a espessura da camada de chuva. Gotas de nuvem e vapor d agua contrubuem para σa. Com o aumento da taxa de precipitação ou da frequência, o espalhamento torna-se importante. Logo o segundo termo da equação ( 1) adiciona um efeito na temperatura de brilho, devido a a função de fase. ' Se é maior que a do ponto, a radiação para cima é maior; se for menor, a radiação para cima é diminuida. Uma vez que a temperatura do espaço é muito baixa (space = 2.7 K), o espalhamento tende a diminuir a temperatura de brilho observada. Este efeito explica porque sobre a erra ou Oceano a temperatura decresce com o aumento da taxa de precipitação. Hidrometeoros de gelo são particularmente bons diminuidores de temperatura porque emitem muito pouco. Em alta frequências, as quais são mais sensíveis ao gelo, a temperatura de brilho decresce mais rapida com o aumenta da taxa de precipitação do que para frequências baixas. Dessa maneira podemos separar as tecnicas de estimativa de precipitação em microondas nas técnicas que se baseiam em absorção e em espalhamento. Posteriormente as duas técnicas são combinadas para um melhor complemento. 1. Métodos de bsorção: Rodgers et al. (1979): statistical technique for determining rainfall over land employing Nimbus 6 ESMR measurements. J. ppl. Meteor., 18, Weilheit et al. (1977): Satellite technique for quantitatively mapping rainfall rates over the oceans. J. ppl. Meteor., 16, Weinman, J.. and P.J. Guetter (1977): Determination of rainfall distributions from microwave radiation measured by the NUMUS 6 ESMR, J. ppl. Meteor., 16, s primeiras tentativas de se estimar precipitação via microondas foram feitas a partir do lançamento do satélite Electrically Scanning Microwave Radiometer on the Nimbus 5 satellite (ESMR-5) em Dezembro de 1972.

8 8 Weilheit et al. (1977) utilizou os dados do ESMR-5 para estimar a precipitação sobre o oceano a partir de calculos com um modelo de transferencia radiativa, para um frequência de GHz. Nesta técnica de absorção, a espessura da camada de chuva tem que ser considerada. Uma camada de chuva mais espessa terá uma espessura ótica maior e consequentemente uma maior temperatura de brilho (sobre o oceano). Neste metodo, eles assumiram que a

9 9 espessura da camada de chuva é delimitada entre a superfície e a isoterma de 0 o C. (Figura 9.18a) Comparações com medidas de um radar meteorológico em Miami (EU), Figura 9.18b, mostraram que as estimativas estavam a uma ordem de 2 das do radar. O problema desta técnica é existe uma saturação para taxas de precipitação grandes. Com o lançamento do satélite Nimber 6 (ESMR-6),( Lançado June 12, 1975 ) várias mudanças ocorreram: Varredura Canonica mesmo footprint e ângulo de visada são sempre os mesmo. Obs: maioria dos satélites hoje em dia utilizam este método (DMSP-SSMI, RMM, QU, ERR). dcionaram a polarização horizontal e vertical e adicionaram o canal de 37 GHz (uma vez que eles queriam determinar a precipitação sobre o continente). s precipitações continentais são mais sensíveis em altas frequências, e a polarização é utilizada para identificar lagos e solo úmido. (Weiman e Guetter, 1977) Rodgers et al. (1979) comparando dados de radar com o ESMR-6 sobre o sul dos EU, encontraram que a polarização poderia ser utilizada para discriminar a precipitação sobre solos secos e úmidos. Esta discriminação se baseia que: Solo seco é mais quente que a precipitação; Solo úmido é mais polarizado (vertical > horizontal) que a precipitação.

10 ) (1 1 1 τ ε τ ε H S H H + 2 ) (1 1 1 τ ε τ ε V S V V