Impacto das sondagens TOVS em modelos de previsão numérica de tempo: estado-da-arte

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1 Impacto das sondagens TOVS em modelos de previsão numérica de tempo: estado-da-arte Abstract Jojhy Sakuragi Marlene Elias Ferreira Univ. do Vale do Paraíba - UNIVAP - S. José dos Campos, SP Recent studies confirm that sounding data are still crucial in regions with scarce observations, as Brazil and surrounding oceans, even with present instruments. Therefore, satellite sounding remains as the most feasible tool for the global monitoring of the atmospheric thermodynamic state and, being so, for the future NWP progress. Some improvement is now being expected with the Advanced TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder), due to a larger number of channels in the microwave sounders, even though a real instrumental advance has been postponed to the year Meanwhile, the operational practice will still rely on infrared sounders conceived in the seventies, despite the evolutionary ideas that were brought out in this area and the consensus on the necessity of improved instruments, mainly regarding better vertical resolution. 1 - Introdução A sondagem remota pelos satélites de órbita polar foi concebida primordialmente para atender a necessidade de observações globais colocada pela PNT (Previsão Numérica de Tempo). Consequentemente, o impacto dos dados de sondagem em modelos de PNT suscitou a realização de um grande número de trabalhos sendo que alguns versam sobre sua evolução, tendo em vista o progresso dos próprios modelos (Smith, 1991). Desde o lançamento do NIMBUS-3 em 1969, o primeiro satélite com instrumentos de sondagem, ainda na fase experimental, os pesquisadores vêm buscando avaliar o impacto destes dados sobre as previsões de tempo (Ohring, 1979). Os primeiros resultados não atingiram a expectativa desejada devido à qualidade dos dados de satélite e aos métodos empregados nos sistemas de análise/previsão. De fato, tanto os construtores de satélites/instrumentos como os modeladores equivocaram-se, sendo que os primeiros superestimaram e os últimos subestimaram a qualidade dos dados (Eyre e Lorenc, 1989). Testes com dados de satélite em modelos de PNT realizados na década de sessenta resultaram em impactos tanto positivos quanto negativos, gerando polêmica sobre a utilidade dos mesmos. Estudos posteriores foram realizados com a finalidade de verificar se os resultados negativos decorriam dos métodos de análise/previsão ou dos próprios dados. 2 - Avanços durante os anos 70 No início dos anos 70, vários experimentos com o NIMBUS produziram avanços consideráveis na instrumentação e no processamento dos dados de sondagem, cuja componente interpretativa apresenta um grau significativo de complexidade. Isto porque a inversão matemática da Equação Integral de Transferência Radiativa caracteriza-se como um problema mal-posto, ou seja, exige a utilização de informações a priori com a finalidade de estreitar a classe de soluções e de conferir estabilidade ao procedimento de inversão (Ferreira, 1987). Ainda no começo da década de setenta, foi desenvolvido um algoritmo físico com o intuito de detalhar as estruturas verticais não resolvidas pelas sondagens (Smith et al., 1972). Embora aparentemente a precisão fosse alta, a correlação entre os erros de inferência e os erros de previsão também era alta. Estes altos valores de correlação entre os erros eram devidos a uma limitação muito semelhante notada anteriormente com os métodos de regressão estatística, ou seja, insuficiência na resolução vertical dos instrumentos. Também nos anos 70, melhor se estruturaram vários centros importantes de PNT estimulando numerosos experimentos de impacto, como os relatados por Oring (1979). Os resultados não foram conclusivos para o Hemisfério Norte, pois a pequena melhoria verificada na previsão de 48 horas era devida à média entre impactos positivos, negativos e nulos. Os estudos realizados por Kelly et al. (1978), indicaram um impacto consistentemente positivo no Hemisfério Sul.

2 Apesar dos resultados inconclusivos, a comunidade meteorológica mundial ingressou no "Global Weather Experiment" (GWE) com o objetivo de utilizar os dados coletados pela componente espacial do Sistema de Observação Global, afim de estender o prazo de validade da previsão de tempo para uma semana ou mais. 3 - A Era GWE: 1979-Presente No final dos anos 70 foi lançado o primeiro satélite da presente série TIROS-N/NOAA. Isto deu início ao GWE. As sondagens TOVS apresentavam, em princípio, qualidade e densidade espacial suficientes para configurar os sistemas meteorológicos em escala sinótica, sem ambigüidades e sem que houvesse necessidade de inclusão de dados de radiossondagem. No bojo dos estudos de impacto surge a questão referente ao modo de avaliação dos produtos e sub-produtos TOVS, visto que a técnica de sondagem se caracteriza por obter medições volumétricas enquanto a radiossondagem promove observações puntuais. Além disto, a qualidade dos perfis TOVS se deteriora em condições de céu nublado devido ao pequeno número de canais e da baixa resolução vertical da MSU (Microwave Sounding Unit) em comparação à do HIRS-2 (High-resolution Infrared Radiation Sounder-2). Os grandes centros de previsão de tempo investigaram o impacto dos dados TOVS nas previsões numéricas com dados do GWE e verificaram pequenos impactos positivos no Hemisfério Norte. Porém, no Hemisfério Sul, os impactos positivos encontrados foram relativamente maiores e mais consistentes (Smith, 1991). Entretanto, os resultados dessas pesquisas dependiam fortemente da estratégia da assimilação de dados e também da situação meteorológica (Ohring, 1979). Estudos mais recentes realizados por Kashiwagi (1987), concluiram que: "a base de dados por satélite é indispensável para as análises em baixas latitudes e para todo o Hemisfério Sul. Porém, na região asiática, os dados de radiossondagem determinam a qualidade das análises de ar superior, isto denotando que os dados de satélite não contribuem para tal fim". Em suma, o avanço verificado na área de modelagem e assimilação de dados até quase o fim da década de 80 não foi acompanhado pelo desenvolvimento instrumental do ponto de vista operacional. Consequentemente, as informações contidas nos dados de satélite ficaram reduzidas se comparadas às outras fontes de observações. 4 - Estudos recentes de impacto em PNT Nos anos 80, a comunidade científica passou a ter acesso a dois importantes pacotes de sondagem remota: (a) o ITPP (International TOVS Processing Package), desenvolvido pela Universidade de Wisconsin, e (b) o 3I (Improved Initialization Inversion), da Escola Politécnica da França. Assim, além dos dados disseminados pelo NESDIS, os usuários passaram a ter acesso ao processamento dos dados ganhando maior flexibilidade no processo de inferência dos perfis verticais e de seus sub-produtos. Uma série de estudos de impacto foi realizada com os sistemas de análise/previsão do ECMWF, cujo esquema de assimilação havia sido aperfeiçoado para se tornar mais sensível aos dados iniciais e, portanto, mais vulnerável à qualidade dos mesmos (Flobert et al., 1991). Essa série de estudos mostra que o impacto dos dados de sondagem por satélite no sistema de análise-previsão é, em geral, negativo no Hemisfério Norte e fortemente positivo no Hemisfério Sul (ver Figura 1). Segundo Eyre e Uddstrom (1993), tem havido progresso significativo nos últimos dois anos nas aplicações dos dados TOVS na PNT. Isto é resultado da melhoria da qualidade dos perfis operacionais do NESDIS e do uso crescente de perfis iterativos. Esses fatores vêm permitindo impacto positivo dos dados TOVS na PNT no Hemisfério Norte em comprimentos de ondas mais longos enquanto que estudos regionais no Hemisfério Sul indicam que tanto os comprimentos de ondas longos como os curtos estão sendo afetados positivamente. Mesmo assim, para que haja melhoria significativa na qualidade da previsão numérica, será necessário aperfeiçoar o sistema de obtenção de dados meteorológicos, uma vez que as condições iniciais da atmosfera ainda não podem ser observadas de modo satisfatório na maior parte do globo sem a ajuda de satélites. Com certeza, os satélites ainda têm muito a contribuir desde que seja reconhecida a necessidade de se implementar, operacionalmente, instrumentos de sondagem mais avançados que os atuais e de se buscar metodologias cada vez mais apropriadas de assimilação.

3 5 - TOVS Avançado (ATOVS): apenas um progresso parcial A nova série NOAA K, L, M, e N deverá operacionalizar um sistema de sondagem com melhorias parciais no período de 1995 a 2002, continuando a atuar em pares. Nesses satélites deverá ser utilizado o sistema ATOVS, cujos subsistemas são o HIRS/3, a AMSU-A e a AMSU-B. Desta forma, a principal diferença entre o TOVS (presente) e o ATOVS (a partir de 1995) reside na componente de microondas que integrará um número muito maior de canais para os perfis de temperatura (4 versus 15) e a introdução de cinco canais específicos para os perfis de umidade. Com o intuito de beneficiar a PNT, a comunidade internacional está propondo à NOAA o aumento da resolução espacial do HIRS/3, de 20 para 10 km (ponto sub-satélite) (Eyre and Uddstrom, 1993). Isto em princípio não provocaria perda de resolução radiométrica e também ofereceria várias vantagens, entre elas: 50% a mais de campos de visada não contaminados por nuvens, perfis com melhor qualidade e melhores informações sobre as nuvens. Entretanto, os problemas da sondagem no infravermelho, especialmente a resolução vertical, ainda não serão resolvidos por esse novo sistema, uma vez que o HIRS/3 não apresenta avanços em relação ao HIRS/ Perspectivas para o ano 2000 A comunidade científica tem reiterado a necessidade urgente de se implementar, em âmbito operacional, um sondador infravermelho de alta resolução espectral que atue junto e de modo complementar com os instrumentos de sondagem em microondas e imageadores (Smith, 1991; Menzel and Lynch, 1991; Eyre and Uddstrom, 1993). Maior resolução espacial também é desejável principalmente pelos problemas causados pela contaminação de nuvens, mesmo para o caso do atual HIRS/2 (Eyre and Uddstrom, 1993). Contudo, somente na próxima década espera-se que avanços significativos sejam implantados efetivamente de modo a atender os requisitos estabelecidos pela PNT para o perfil de temperatura (resolução horizontal: 25 km; resolução vertical: 50 níveis; freqüência: 6 horas, precisão: 1 K) e de umidade (resolução horizontal: 25 km; resolução vertical: 10 níveis; freqüência: 6 horas, precisão: 5 %). Por outro lado, a partir do ano 2000, os americanos deverão compartilhar com os europeus a responsabilidade pela componente polar dos satélites meteorológicos (órbita matutina: EUMETSAT/ESA; órbita vespertina: NOAA), até então dos EUA, trazendo a preocupação com a compatibilidade entre os instrumentos caso venham a ser de diferentes origens. 7 - Conclusões Apesar das dificuldades decorrentes da estagnação no desenvolvimento instrumental, especialmente no infravermelho, os dados de sondagem remota continuam sendo fundamentais para regiões carentes de dados convencionais, especialmente para o Hemisfério Sul, mesmo com os modelos mais avançados de PNT. A implementação do TOVS Avançado em 1995 trará o benefício de um aumento expressivo dos canais em microondas. Entretanto, ficou postergada para o ano 2000 a implementação de instrumentos que operam no infravermelho com alta resolução espectral, embora muitos protótipos já tenham sido desenvolvidos e testados. A sondagem por satélite permanece como uma ferramenta viável para o progresso da PNT, pois é a única maneira de se obter sondagens verticais com alta resolução espacial em caráter operacional global. Referências bibliográficas Eyre, J.R.; Lorenc, A.C. Direct use of satellite sounding radiances in numerical weather prediction. Met. Mag., 118(1398):13-16, Eyre, J.R. and Uddstrom, M.J. (Eds.) A Report on the Seventh International TOVS Study Conference. International TOVS Working Group, Igls, Austria, Feb Proceedings. ECMWF, 47 p. April, Ferreira, M.E. Algoritmos em três dimensões para inferência de perfis de temperatura e de umidade a partir de radiâncias obtidas pelo VAS. (Tese de Doutorado em Meteorologia) Instituto de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, fev (INPE-4104-TDL/258).

4 Flobert, J.-F.; Andersson, E.; Chédin, A.; Hollingsworth, A.; Kelly, G.; Pailleux, J.; Scott, N.A. Globa data assimilation and forecast experiments using the improved initialization inversion method of satellite soundings. Mon. Wea. Rev., 119(8): Aug Kashiwagi, K. On the impact of space-based observing system in the JMA global forecast/analysis system. J. Met. Soc. Jap., 65(2): Apr Kelly, G.; Mills, G.A.; Smith, W.L. Impact of Nimbus-6 temperature soundings on Australian Region Forecasts. Bull. Am. Met. Soc., 59(4): Apr Menzel, W.P.; Lynch, M. (Eds.) A Report on the Sixth International TOVS Study Conference. International TOVS Working Group, Airlie, Virginia, 1-6 May Proceedings. University of Wisconsin, 60 p. June Ohring, G. Impact of satellite temperature sounding data on weather forecasts. Bull. Am. Met. Soc., 60(10): Oct Smith, W.L. Atmospheric soundings from satellite-false expectation or the key to improved weather prediction? Quart. J. R. Met. Soc., 117(498): Smith, W.L.; Woolf, H.M.; Fleming, H.E. Retrieval of atmospheric temperature profiles from satellite measurements of dynamical forecasting. J. Appl. Met., 11(1):

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