UMA ANALÍSE DA INSOLAÇÃO DIÁRIA ESTIMADA POR HELIÓGRAFO, PIRELIÔMETRO EQUIVALENTE E SATÉLITE EM MACEIÓ, AL

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1 UMA ANALÍSE DA INSOLAÇÃO DIÁRIA ESTIMADA POR HELIÓGRAFO, PIRELIÔMETRO EQUIVALENTE E SATÉLITE EM MACEIÓ, AL ANTHONY CARLOS SILVA PORFIRIO 1 ; JUAN CARLOS CEBALLOS ; JOSÉ LEONALDO DE SOUZA 3 ; MARCOS LIMA RODRIGUES 1 - Meteorologsta, Mestrando em Meteorologa, DSA/CPTEC/INPE, Cachoera Paulsta, SP, anthony.carlos@cptec.npe.br. - Dr. em Meteorologa, Dvsão de Satéltes e Sstemas Ambentas (DSA/CPTEC/INPE), Cachoera Paulsta, SP. 3 - Prof. Assocado Lab. de Agrometeorologa e Radometra Solar, Inst. de Cêncas Atmosfércas, UFAL, Maceó AL. - Bacharel em Computação Centífca, Dvsão de Satéltes e Sstemas Ambentas (DSA/CPTEC/INPE), Cachoera Paulsta, SP. Apresentado no XVII Congresso Braslero de Agrometeorologa 1 a 1 de Julho de 11 SESC Centro de Tursmo de Guarapar, Guarapar - ES ANALYSIS OF DAILY SUNSHINE DURATION BY HELIOGRAPH, EQUIVALENT PIRHELIOMETER AND SATELLITE IN MACEIO, AL ABSTRACT: Sunshne duraton obtaned by helograph wthn metropoltan area of Maceo, AL, November-December 7, was compared wth estmates followng three methods: formal equvalent pyrhelometer, effectve sunshne duraton and satellte-based estmaton. Ground data were obtaned at CECA/UFAL Radometrc/Agrometeorologcal staton (9 S, 35 9 W, 7m) and satellte estmates were provded by DSA/CPTEC/INPE. Sunshne duraton assessed by equvalent pyrhelometer does not show good performance, requrng the use of fluxes averaged n less than 5 mnutes. Effectve duraton method (whch s based on the same pyrhelometrc data) shows god lnear ft wth helographc data, and very good agreement wth satellte-based estmates. Assocated error s - to -%. Cumulated sunshne over ten-day perods suggests that effectve-sunshne and satellte-based methods yeld estmates statstcally compatble wth helographc measurements. KEYWORDS: sunshne duraton, solar radaton, prhelometer, satellte GOES INTRODUÇÃO: A radação solar é uma varável fundamental para defnr o clma regonal e um fator essencal na produtvdade agrícola. Hstorcamente, e dado o custo de nstrumentos e de sua manutenção, os helógrafos (regstradores de nsolação, duração do brlho solar ou sunshne duraton) têm ocupado o lugar dos solarímetros (meddores de rradânca) nas estações meteorológcas. A nsolação é um parâmetro mportante utlzado em estudos agrometeorológcos e na prevsão de produtvdade agrícola. O prncípo de medda do helógrafo (modelo Campbell-Stokes) é a quema de uma faxa de papel por concentração de raos solares e a observação do regstro resultante (helograma). O processo de medção é smples e apresenta alta correlação com todas as componentes da radação solar (global, dfusa, dreta) (AZEVEDO & MARQUES, 197). Contudo, a estmatva de nsolação dára apresenta dversas lmtações. O patamar de radação solar dreta necessára para provocar quema do helograma é relatvamente ndefndo e depende da qualdade do papel e da umdade atmosférca (IQBAL, 193). Em condção de céu claro e baxa umdade do ar seram necessáros 7 W m - para a quema, porém, com céu nublado e umdade elevada seram W m - (COULSON, 1975). O nstrumento fo adotado pela Organzação

2 Meteorológca Mundal como nstrumento padrão para avalar nsolação, propondo Wm - como patamar de quema de helograma, admtndo % de flutuação em torno desse valor, e ndcando o prelômetro como sensor de referênca para estmatva do brlho solar (WMO, 195). Os resultados de comparações da nsolação com o fluxo dreconal (a ncdênca normal) são varados: enquanto Chaves & Escobedo () encontraram alta correlação para meddas em Botucatu, SP, Ceballos et al. (199) observaram que em estações da Paraíba a lneardade é mas elevada apenas no caso de valores médos mensas. O número de estações automátcas vem crescendo no Brasl nos últmos anos (ver, por exemplo, dados dstrbuídos na nternet pela rede automátca do Insttuto Naconal de Meteorologa, INMET, e pelo Sstema de Coleta de Dados gerencado pelo INPE, Por um lado as estações não medem nsolação, mas rradânca solar. Evdenca-se a oportundade de melhor defnr a relação entre nsolação e rradação solar, para dar contnudade e amplar séres temporas de nsolação. Por outro lado, extensas regões do país anda fcam sem regstro de dados meteorológcos, e técncas sateltas podem ser usadas para estmar nsolação (CEBALLOS e RODRIGUES, ; ver também estmatvas dssemnadas na nternet em Neste trabalho apresentam-se comparações de meddas helográfcas de nsolação com estmatvas realzadas com prelômetro equvalente, nsolação efetva e satélte. A presente contrbução se concentra na área metropoltana de Maceó, AL. MATÉRIAL E MÉTODOS: Foram realzadas observações de nsolação (n), rradânca solar global (Eg) e rradânca solar dfusa (Ed) na estação Radométrca/Agrometeorológca da Unversdade Federal de Alagoas (9 S, 35 9 W, 7m), Centro de Cêncas Agráras, dstante km do centro da cdade de Maceó. As meddas de nsolação dára (em horas) foram obtdas a partr de helogramas de um helógrafo convenconal do tpo Campbell- Stokes; as rradâncas global e dfusa (W m - ) foram meddas com dos pranômetros CM5 da Kpp & Zonen, sensíves na faxa de,35-, µm. Um sstema automátco de aqusção de dados (CR1X, Campbell Scentfc) fo programado para realzar leturas a cada 1 segundos e armazenar médas de 5 mnutos. Para medr rradânca solar dfusa, fo acoplado um anel de sombreamento que obstru a rradânca a ncdênca normal (fluxo dreconal Φ no que segue). O regstro da Ed poda ser corrgdo medante um fator multplcatvo que leva em conta a largura e o rao do anel de sombreamento, a lattude do local, a declnação solar, o ângulo azmutal do sol no nascer e um fator para a condção de nebulosdade (OLIVEIRA et al., 1). Dessa forma, fo possível avalar nsolação pelo método pranômetrco ( prelômetro equvalente ), estmando Φ como Eg Ed (1) CosZo onde Zo é o ângulo zental solar. Adotando o padrão recomendado pela WMO (195), a nsolação é defnda como a duração do tempo no qual ocorre Φ W m -. O crtéro fo aplcado às médas de < Φ > de 5 mnutos. Um segundo método de avalação de nsolação efetva (CEBALLOS et al., 199) consderou que a passagem de uma nuvem nbe a quema de papel, de forma que o fluxo médo < Φ > num ntervalo de tempo Δt é representatvo da fração de tempo f com raos solares dretos nesse ntervalo, defnndo uma nsolação efetva nef como nef f t t o ()

3 ou seja a soma dos ntervalos efetvos com céu claro, sendo Φ o o fluxo dreconal esperado em condção de céu claro (desprovdo de nuvens). Para estmar este fluxo dreconal, o espectro solar fo dvddo em duas bandas: ) vsível (onde a atenuação predomnante devese a espalhamento Raylegh) e ) nfravermelho próxmo (onde não há espalhamento, mas absorção da radação dreta por gases como H O e CO ). Nesta aproxmação o efeto do aerossol fo desprezado. Desse modo, Φ o pode ser avalado de acordo com a expressão o T vs S vs S v S R CosZo, T exp (3) vs onde S vs, S v é o fluxo dreconal no topo da atmosfera corrgdo pela dstânca méda terrasol, T vs é a transmtânca da atmosfera, τ R.15 valor característco da profunddade óptca da atmosfera para dspersão Raylegh em condção de céu claro, ΔS a soma da absorção pelo vapor d água (ΔH O) e dóxdo de carbono (ΔCO ). Parametrzações de absorção estão publcadas em Ceballos et al. (). O valor adotado para água precptável fo de w = 3,5 g cm - (típco para regão ltorânea). Um exemplo do cclo dáro de <Φ> e de Φ o é lustrado na Fgura 1, para um da com predomnânca de céu claro. Observa-se que a estmatva de Φ o é de boa qualdade, e que este fluxo dreconal é pratcamente constante no ntervalo de algumas horas em torno do meo-da. 1 Irradâncas (W m - ) Fgura 1. Cclo dáro de fluxo dreconal meddo (<Φ> ) e máxmo esperado (Φ o ), para uma condção de céu claro (/11/7) na regão metropoltana de Maceó, AL. As estmatvas de nsolação baseadas em satélte meteorológco foram fornecdas pela Dvsão de Satéltes e Sstemas Ambentas do INPE (DSA/CPTEC/INPE). Elas se baseam em magens do canal VIS do sensor GOES Imager (CEBALLOS & RODRIGUES, ). De forma resumda, a estmatva adota o segunte crtéro: ) A refletânca R1 observada pelo sensor do satélte representa um valor médo de áreas com refletânca máxma (Rmax, assocada à transção entre cobertura por nuvens Cu e por St) e refletâncas mínmas (Rmn, assocadas à superfíce), ponderadas pela cobertura parcal de nuvens C, dentro do pxel consderado; R1 = CRmax + (1-C)Rmn, o que possblta a estmatva de nebulosdade C. O prncpal modulador da nsolação do ponto de vsta sateltal é a nebulosdade, de tal forma que a nsolação pode ser avalada como segue: nsat 1 () C t Eg < > o C é a nebulosdade característca do ntervalo de tempo Δt entre duas magens sucessvas, geralmente mea hora. Nuvens com refletânca R > Rmax correspondem a céu totalmente coberto (C = 1). Claramente, a qualdade desta ntegração pode ser afetada por eventuas falhas na recepção de magens. Nas análses foram seleconados das do mês de novembro e dezembro de 7, representatvos do período seco regonal. Foram analsados eventuas Hora

4 relações funconas entre as varáves nsolação por helógrafo (n), prelômetro equvalente (npr), nsolação efetva (nef) e estmada por satélte (nsat). Também foram comparados os valores da nsolação méda decêndal, varável mportante para fns agrícolas. Para qualfcar uma relação lnear entre varáves, realzou-se regressão lnear e estmatva do coefcente de determnação R. Para fns de comparação entre médas decêndas, a flutuação esperável σ m de uma méda <X> para um período de K=1 das, com desvo padrão σ dos dados, fo avalada como σ m = σ/ K. RESULTADOS E DISCUSSÃO: A Fgura permte comparar os dstntos métodos de medda (helógrafo, prelômetro equvalente e nsolação efetva) e estmatva sateltal de nsolação para das do período seco. a) 1:1 1:1 1:1 b) c) Insolação Satélte Insolação npr nef 1 Helógrafo Falta de magens nsat 1 Helógrafo npr nef Falta de magens 1 Fgura. Relação entre nsolações dáras: (a) helógrafo x prelômetro equvalente e nsolação efetva, (b) helógrafo x satélte e (c) satélte x prelômetro equvalente e nsolação efetva, para o período seco na regão metropoltana de Maceó, AL. Falta de 5 magens consecutvas (,5 horas) representados em vermelho. Tabela 1. Equações de estmatva dára de nsolação (horas) entre: pranômetro equvalente (npr), helógrafo (n), satélte (nsat) e fração absoluta (nef) no período seco e respectvos números de das (K) e coefcente de determnação R. Período Y = ax K R Y = a +bx K R npr n não lnear 57 - npr n não lnear 57 - nef =,7 (n) 57,71 nef = 1, +,77 (n) 57,73 Seco nsat =,7 (n),7 nsat =,19 +,3 (n),7 npr nsat não lnear - npr nsat não lnear - nef =,9 (nsat), nef =, +,7 (nsat),9 A nsolação segundo prelômetro equvalente aproxma-se do helógrafo para valores baxos (< 3 horas) e altos (> de 9 horas), o que representa condções atmosfércas de céu nublado e claro, respectvamente (Fgura a), mas percebe-se grande dspersão em condções ntermedáras (parcalmente nublado). A passagem ntermtente de nuvens (predomnantemente do tpo cúmulos) na regão do estudo provoca constantes varações no fluxo dreconal, que oscla entre valores abaxo do lmar de W m - e acma de Wm - em ntervalos de poucos mnutos. A méda de Φ em 5 mn permanece na maora dos casos acma dos W m -, o que provoca uma contagem excessva da nsolação. Vsvelmente o comportamento entre o n e o npr é muto dspersa, ao ponto de não justfcar a busca de um ajuste entre ambas. É nteressante observar que em Botucatu-SP os resultados obtdos por Chaves & Escobedo () mostraram forte relação lnear entre n e npr, com coefcente de correlação R =,9. Nesse caso, o nstrumento utlzado para medda de fluxo dreconal era um prelômetro NIP-EPPLEY. A nsolação efetva nef mostrou melhor ajuste lnear com Satélte

5 relação à nsolação n (Fgura a). Notou-se aglomeração de dados de helógrafo entre 9 e 1 horas, causado provavelmente pela quema excessva no papel helográfco. É váldo lembrar que a quema aproprada é nfluencado pela qualdade do papel e tnta do helograma. A nef apresentou subestmatva de 13% (Tabela 1). Essa dferença pode ser credtada a város aspectos acumulatvos, como: ) não consderação da componente ultravoleta do espectro solar (da ordem de 3 W m - à superfíce) (PORFIRIO, 1), ) erro no cálculo de Φ para ângulos zentas elevados, ) não correção do efeto de anel e v) estatístca de dados anda pobre. Entretanto, a concentração de pontos no ntervalo [,5 < n < 1, < nef < ] sugere a quema excessva de helograma (mpressão acentuada pela coerênca entre nef e nsat observada na Fgura c). A elmnação desses pontos eleva o coefcente de ajuste para,9 e o de correlação para, na Tabela 1. A estmatva de nsolação por satélte exbe consderável lneardade com n (Fgura b), exceto em das com falta de magens (destaque em vermelho), o que afeta negatvamente a ntegração dára de nsolação (defnda na equação ). Observa-se que a estmatva nsat subestma a medda do helógrafo em torno de %, porém, podera reduzr-se a % elmnando das com quema excessva de helograma. Comportamentos smlares foram obtdos por Ceballos e Rodrgues (), com 1% de subestmatva para São Paulo e Fortaleza. Do mesmo modo, o npr não mostrou relação lnear com a nsat (Fgura c). Esta últma apresentou bom ajuste com nef ( % de subestmatva, Fgura c), salvo para das com defcênca de magens (marcados em vermelho). Esse resultado sugere a excelênca da estmatva por satélte realzada nessas condções atmosfércas. Informações de nsolação acumulada num ntervalo decêndal (dez das) são mportantes nas atvdades agrícolas. Para uma análse qualtatva da coerênca nesse ntervalo, a Fgura 3 apresenta a nsolação méda decêndal para os quatro métodos no período seco de 7, nclundo o desvo padrão da méda. Se as barras de desvo padrão de duas varáves se cruzam, consderamos um caso de boa compatbldade. Outubro npr n nsat nef Novembro 1 Insolação méda Decêndos Fgura 3. Insolações médas decêndas medda por prelômetro equvalente (npr), helógrafo (n), nsolação efetva (nef), e estmada por satélte (nsat) para o período seco na regão metropoltana de Maceó, AL. Claramente a medda de npr exbe valores elevados de nsolação, de forma que apenas em um caso (5 o decêndo) apresenta boa compatbldade com o n. Com relação ao helógrafo a nsolação npr acumulada em 3 das atngra 3 horas de dferença, acrescentando na ordem de cnco das de nsolação (n para 3 das = 15 horas). De fato, as estmatvas por satélte e nsolação efetva mostraram-se coerentes com helógrafo, com dferença acumulada mensal de - e de - horas, respectvamente; apesar dsso os valores acumulados de n, nef e nsat

6 seram estatstcamente compatíves a um nível elevado de sgnfcânca. No tercero decêndo houve escassez de magens de satélte. CONCLUSÕES: A nsolação dára medante helógrafo n em Maceó no período seco de 7, não apresenta relação lnear com a estmada npr por prelômetro equvalente (baseado em valores médos de fluxo dreconal <Φ> em 5 mnutos), embora seus valores se aproxmem em condções de céu claro e nublado. Provavelmente, a relação sera muto mas defnda ao consderar <> em ntervalos menores, como 1 mnuto. O método da nsolação efetva nef mostra bom ajuste lnear em relação ao helógrafo, e comportamento lnear acurado quando comparado com satélte. A estmatva nsat por satélte geoestaconáro é realzada com acuráca razoável, exceto em das com defcênca de magens. A observação da nsolação na base decêndal sugere que, estatstcamente, as nsolações acumuladas de nsat e nef são compatíves com a de helógrafo. Séres de dados mas extensas e de outros locas estão sendo elaboradas e podem fornecer nformações mas conclusvas e abrangentes sobre a compatbldade dos três métodos aqu apresentados. AGRADECIMENTOS: À PGMET/CPTEC/INPE, ao LARAS/ICAT/UFAL, à DSA/CPTEC/INPE e à CAPES/MEC, que forneceram dados e deram apoo na partcpação no XVII CBAGRO. Este trabalho é parte do projeto CAPES Pró-Engenharas n o 71/. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AZEVEDO, A.J.; MARQUES, C.V. Notíca explcatva Insolação. Atlas do Meo ambente, Secretara de Estado do Ambente e Recursos Naturas, Lsboa, 197. CEBALLOS, J.C.; MOURA, G.B.A.; BEZERRA, V.F.; FARIAS, J.d A. Desempenho de helógrafos e actnógrafos na estmatva de nsolação e fluxo dreconal. Revsta Brasl. de Meteor. V7, 53-51, 199. CEBALLOS, J.C.; BOTTINO, M.J; SOUZA, J.M. A smplfed physcal model for assessng solar radaton over Brazl usng GOES vsble magery. J. Geophys. Res. V 19, D11, do:1.9/3jd3531,. CEBALLOS, J.C.; RODRIGUES, M.L. Estmatva de nsolação medante satélte geoestaconáro: resultados prelmnares. In: XV Congresso Braslero de Meteorologa,, São Paulo,. CHAVES, M.A.; ESCOBEDO, J.F. Correlação entre os valores de nsolação e razão de nsolação meddos com prelômetro e helógrafo. Energa na Agrcultura, Botucatu, SP, v. 15, n.3, p. 7-5,. COULSON, K.L. Solar and Terrestral Radaton Methods and Measurements, New York, Academc Press, 1975, 3p. IQBAL, M. An ntroducton to solar radaton. New York, Academc press, 193. OLIVEIRA, A.P; ESCOBEDO, J.F; MACHADO, A.J. A new shadow-rng devce for measurng dffuse solar radaton at the surface. Journal of Atmospherc and Oceanc Technology, (n press), 1. PORFIRIO, A.C.S. Radação solar ultravoleta na regão metropoltana de Maceó, Alagoas. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Meteorologa) - Insttuto de Cêncas Atmosfércas, Unversdade Federal de Alagoas, p., 1. WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION (WMO). Dependence on threshold solar rradance of measured sunshne duraton (K. Dehne). Papers Presented at the Thrd WMO Techncal Conference on Instruments and Methods of Observaton (TECIMO III). Instruments and Observng Methods Report No., WMO/TD-No. 5, Geneva, pp. 3 71, 195.