Cursos Associado ao GLP-Vale do Paraíba. O uso do GPS na Meteorologia (GPS meteorologia)

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1 Cursos Associado ao GLP-Vale do Paraíba O uso do GPS na Meteorologia (GPS meteorologia) LUIZ FERNANDO SAPUCCI CPTEC-INPE Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ Instituto de Geociências, 24 a 31 de outubro de

2 Conteúdo do curso: O sistema GPS; Linha de pesquisa GPS-Meteorologia: Receptores GPS em bases terrestres; Receptores GPS em bases espaciais; Coleta GPS nos experimentos do Projeto Chuva; Potencialidades do GPS para a meteorologia;

3 Posicionamento Geodésico Necessidade de se conhecer a posição geográfica: Navegação; Defesa de territórios; Estratégia Militar; Interesses comerciais; Interesses políticos; Interesses científicos. Onde estou? Vantagens do uso de satélites no posicionamento: 1. Fácil transmissão de informação; 2. Disponibilidade em todo o globo; 3. Melhor relação custo/benefício; 4. Independe das condições do tempo;

4 Sistema disponível e operacional: GPS GPS (Global Positioning System): Desenvolvido pelo departamento de defesa dos EUA; Objetivo inicial: sistema de navegação das Forças Armadas; Resultante de dois programas: Timation e o System 621B. 24 satélites hoje km acima da Terra período de 12 horas 6 Planos orbitais 55 o de Inclinação 5 h acima do horizonte No mínimo 4 satélites sempre disponíveis

5 Segmentos que compõem o sistema Segmento Espacial Segmento de Usuários Estações Monitoras Segmento de Controle Cortesia: FCT-UNESP

6 Técnica de posicionamento por satélite t T Instante GPS de Transmissão Órbita do Satélite Onda Portadora Pseudo-distância Instante de Recepção (Receptor) t R (Pseudodistância) - = (t - t T R )*c Cortesia: FCT-UNESP

7 Conteúdo do curso: O sistema GPS; Linha de pesquisa GPS-Meteorologia: Receptores GPS em bases terrestres; Receptores GPS em bases espaciais; Coleta GPS nos experimentos do Projeto Chuva; Potencialidades do GPS para a meteorologia;

8 Erros envolvidos nas observáveis FONTES Satélite Propagação do sinal Receptor/Antena Estação EFEITOS Erro da órbita Erro do relógio Relatividade Atraso de Hardware Refração troposférica Refração ionosférica Perdas de ciclos Sinais refletidos/multicaminho Rotação da Terra Erro do relógio Erro entre os canais Centro de fase da antena Erro nas coordenadas Marés terrestres Movimento do Polo Carga dos oceanos Pressão da atmosfera

9 O atraso no Sinal GPS devido a troposfera n c v D D D c dt n ds S TROP TROP TROP n ds S S g nds v ds n1ds ds dt 6 D TROP 10 Nds

10 ATRASO TROPOSFÉRICO No tratamento do D TROP é efetuado em dois passos: A determinação do atraso na direção zenital, e Relacionar esse valor com o ângulo de elevação (E) do satélite observado (mh e mw). Onde D TROP D ZH mh( E) D mw( E) D ZH é atraso zenital gerado pela influência dos gases hidrostáticos D ZW é atraso zenital gerado pela influência do vapor d água atmosférico. ZW

11 ATRASO TROPOSFÉRICO A refratividade do ar (N) é dada por (Davis et al., 1985) : Depois de um apropriado tratamento algébrico tem-se: Note: N h é independente da razão de mistura entre vapor d água e os demais componentes atmosféricos. 1 w w 2 1 h h 1 Z T e k Z T e k Z T P k N 1 w w 2 h 1 w h Z T e k Z T e k R k N N N '

12 ATRASO TROPOSFÉRICO O atraso zenital da componente hidrostática é obtido por: D ZH 10 6 Aplicando a equação do equilíbrio hidrostático: dp ( h) g( h) dh Chega-se na seguinte expressão: D ZH N ( 2, h 3 ds ) 10 6 k 1 R h dh P0 ( 10, 0026cos2 0, 00028h 0 )

13 DETERMINAÇÃO DO D ZW VIA GPS O modelo funcional para as observáveis GPS é: PR S R L S S SgR c.( dtr dt ) D ION D TROP PRL S R L Sg L S R c.( dt S [ ( t 0 ) L R dt ( t S R L Tomar as seguintes medidas: Tomar valores conhecidos para as coordenadas das estação e dos satélites; Estimar os valores da ambiguidade da fase; Minimizar os efeitos da Ionosfera; Conhecer o erros do relógio dos satélites GPS; Modelar ou estimar os efeitos da deformação da Terra. R 0 S ) ) L D ION S R L D ] TROP

14 DETERMINAÇÃO DO D ZW VIA GPS Mas como: D TROP D ZH D ZW E o valor de D ZH pode ser obtido utilizando valores de pressão na superfície; Tem-se: D ZW D TROP D ZH

15 Estimativa do IWV a partir do D ZW O valor do IWV é obtido pela integral da umidade absoluta: IWV Atraso zenital da componente úmida é expresso por: 6 1 ' e e DZW 10 Z w k2 k3 dh 2 T T A partir dessas equações chega-se na expressão: 10 IWV D ZW h h 0 dh w onde: Topo da troposfera Superfície terrestre R w k Dessa forma o GPS pode ser considerado também um equipamento meteorológico. ' m k3 Tm

16 Comparação: GPSxRadiossonda e GPSxRadiômetro Fazenda Nossa Senhora R 2 : Guajará Mirim R 2 : 0, Porto velho R2= 0,800 IW V GP S (kg/m 2 ) IW V GP S (kg/m 2 ) IW V GPS (kg/m 2 ) IWV Radiossonda (kg/m 2 ) IWV Radiossonda (kg/m 2 ) IWV Radiossonda (kg/m 2 ) 50 60

17 Características das demais técnicas Características das radiossondas: Fornece boa resolução vertical; Alto custo resultando em baixa resolução temporal Difícil automatização; Características dos radiômetros: Fornece boa resolução temporal; Alto custo resultando em baixa resolução espacial; O GPS fornece a melhor relação custo/benefício pois além de fornece valores do IWV com alta precisão pode ser empregado em diversas outras aplicações no posicionamento geodésico.

18 Prós medidas com alta acurácia; ótima resolução temporal (all weather); não requer calibração; medidas baseadas na frequência do sinal; baixo custo; e alta confiabilidade. Contras GPS-Meteorologia: Prós e Contras medidas uni-dimensionais; não proporcionam informação direta sobre a distribuição espacial do vapor d água

19 Radiossondas GPS aplicado na quantificação do IWV na direção inclinada D SW 10 6 s s 0 N w ds IWVS D SW

20 GPS aplicado na quantificação do IWV na direção inclinada Perfis verticais D SW 10 6 s s 0 N w ds IWVS D SW Obtêm-se o campo tri-dimensional da distribuição do vapor d água atmosférico.

21 Conteúdo do curso: O Sistema GPS; Linha de pesquisa GPS-Meteorologia: Receptores GPS em bases terrestres; Receptores GPS em bases espaciais; Coleta GPS nos experimentos do Projeto Chuva; Potencialidades do GPS para a meteorologia;

22 Perfilhamento Atmosférico com GPS Técnica denominada Ocultação GPS, envolvendo: Satélites GPS Satélites de órbita baixa (LEO) contendo receptores GPS Estações terrestres de monitoramento continuo. Desenvolvida na década de 60 Monitorar a atmosfera de outros planetas através de ocultação de astros. Grande importância sobre superfícies oceânicas e áreas de difícil acesso.

23 Geometria da ocultação GPS Satélites GPS Receptores em satélites de orbita baixa (LEOs) rastreando sinais emitidos pelos satélites GPS depois de propagar pela ionosfera e troposfera. Ionosfera Atmosfera

24 Fundamentação Teórica Observações do efeito Doppler (f ) são efetuadas pelo receptor LEO GPS LEO Sr a a St f F (, a Stsen( ) a Srsen( ) ) Troposfera n( a 0 ) 1 exp a F(a) 0 ( a ( a) da 2 a 2 0 ) 1 2

25 A refratividade Atmosférica A refratividade é modelada pela equação P ( n 1) ,6 3,73.10 T N h 5 e T O primeiro termo é a componente Hidrostática O segundo é a componente Úmida

26 Componente Hidrostática Para altitude entre 10 a 60 km o vapor d água pode ser desconsiderado e a refratividade pode ser N 77,6 Valores de Pressão pode ser obtido da equação do equilíbrio hidrostático dp dh Obtendo assim o perfil da temperatura a partir de N. P h T ( h) g( h)

27 Componente úmida Na baixa troposfera onde o vapor d água se concentra este deve ser considerado. P 77,6 3,73.10 T N h 5 Para recuperar valores da quantidade de vapor d água utiliza-se: Valores de temperatura e pressão fornecidos por Modelos Numéricos de previsão do tempo ou valores provenientes de satélites sondadores. e T

28 Resultados Precisão dos perfis de temperatura entre altitudes de 5 a 40 km é de 1 K. A importância desse resultado: Grande contribuição na melhoria das previsões meteorológica efetuadas pela PNT.

29 Vantagens da Ocultação GPS Pode fornece dados de baixo custo sobre todo o globo com cobertura uniforme; Não são afetados significativamente por nuvens e precipitação; Possui alta resolução vertical variando de: 0,1-0,5 km na troposfera; 1,5 km na estratosfera. É um dos poucos sistemas de medidas que são independentes de dados de radiossondas; Não precisa ser calibrado.

30 Conteúdo do curso: O Sistema GPS; Linha de pesquisa GPS-Meteorologia: Receptores GPS em bases terrestres; Receptores GPS em bases espaciais; Coleta GPS nos experimentos do Projeto Chuva; Potencialidades do GPS para a meteorologia;

31 Coleta GPS no Experimento PRE-CHUVA 2 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s Máscara de elevação de dia de coleta quase ininterrupta.

32 Coleta GPS no Experimento CHUVA Fortaleza CE 2 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s Máscara de elevação de dia de coleta quase ininterrupta.

33 Coleta GPS no Experimento CHUVA Belem PA 15 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s Máscara de elevação de dia de coleta quase ininterrupta.

34 Coleta GPS no Experimento Vale do Paraíba SP 5 Receptores de dupla frequência do experimento 5 receptores de dupla frequência da rede GNSS-SP/IBGE Taxa de coleta de 30 s Máscara de elevação de dia de coleta quase ininterrupta.

35 Disponibilidade dos dados processados: Versão 0.1 Novas versões: Outros softwares; Outras estações meteorológicas; Melhor taxa de amostragem; Possíveis correções.

36 Conteúdo do curso: O Sistema GPS; Linha de pesquisa GPS-Meteorologia: Receptores GPS em bases terrestres; Receptores GPS em bases espaciais; Coleta GPS nos experimentos do Projeto Chuva; Potencialidades do GPS para a meteorologia;

37 Potencialidades do GPS para a meteorologia Para a previsão numérica de tempo: Assimilação de dados; Avaliação de modelos de PNT. Para sistemas observacionais; Calibração de sensores de umidade atmosférica; Avaliação da incertezas nas medidas do vapor d água na atm. Tomografia do vapor d água atmosférico. Aplicação para inferir a umidade do solo. Aplicações em nowcast: Avaliação das séries temporais do IWV antes e durante fortes tempestades; Estudos sobre o comportamento do IWV durante processos convectivos;

38 Assimilação de dados Hx Hx b y y Estado inicial da atmosfera Rodada cíclica Modelo Modelo Observação Observação Dados externos Sistema de assimilação Estimativa inicial da atmosfera x f Modelo de Circulação Geral Produto final Número de parâmetros= 10 7 Observações= CI Obs Obs t=0 modelo Obs t=6h Obs x f Verdade x

39 Sistema de assimilação de dados Nomenclatura usual na meteorologia: Estado inicial da atmosfera Rodada cíclica Dados externos Sistema de assimilação Modelo de Circulação Geral Produto final Estimativa inicial da atmosfera Método de interpolação ótima (Optimal interpolation) : A solução é determinar a matriz W Onde B determinada empiricamente e é mantida constante no tempo:

40 Experimento de avaliação do impacto da assimilação do IWV-GPS Modelo Global T213L42 Resolução 63Km Controle: assimila os dados padrões do CPTEC; Experimento: além de conter os mesmo dados da rodada controle tem também o IWV obtido através das estações GPS de superfície. Dados Processados pelo Laboratório de Geodésia Espacial da UNESP de Presidente Prudente SP: gege.fct.unesp.br/

41 Avaliação do desempenho com a assimilação do IWV-GNSS

42 Impacto em outras variáveis na América do Sul

43 Avaliação adequada de modelos de PNT Necessita-se: Uma ferramenta robusta; Métricas adequadas; Observações de qualidade e disponíveis;

44 SCAMTEC: sistema de avaliação proposto SCAMTEC acrônimo de Sistema de Avaliação de Modelos de TEmpo e Clima Ferramenta de avaliação: Baseada em Software livres; Desenvolvida em Fortran Programação estruturada; Orientada à objeto; Flexibilidade com formatos de arquivos de dados e de modelos (análise e previsão) ; Facilidade de inclusão de novas métricas; Cortesia: Luis Gustavo

45 Utilização do IWV GNSS na avaliação do desempenho de modelos; Valores do vapor d água integrado na avaliação do total de água disponível para precipitar. Desenvolvimento de módulos de leitura dos dados Rinex (trop e met). Uma banco de dados on-line do CHUVA onde o usuários SCAMTEC conectados a internet baixa os dados e aplica as métricas para diferentes campanha; Radiossondas

46 Calibração de sensores de umidade: valores do IWV AEROxINPE Viés = RMS = DP = N= 5355

47 Comparação de processamento: RUIxLGE com GOA

48 GPS na Calibração de sensores de umidade em satélites

49 Tomografia do IWV usando rede densa GPS IWVS D SW Os dados GPS coletados na campanha de Belém permitirão o estudo para a obtenção da tomografia do vapor d água atmosférico.

50 Aplicação GPS para inferir mudanças na umidade no solo. Por uma técnica denominada Reflectometria interferométrica por GPS é possível através da modelagem direta e inversa do multicaminho obter um monitoramento do meio ambiente nos arredores de uma antena GPS, tais como: Mudanças na umidade do solo, Acúmulo e derretimento da neve; Crescimento da vegetação. Artigo recomendado: Kristine M. Larson; Eric E. Small; Ethan Gutmann; Andria Bilich; Penina Axelrad; John Braun Using GPS multipath to measure soil moisture fluctuations: initial results. GPS Solut (2008) 12:

51 Series temporal do IWV e precipitação Estudo da variabilidade temporal da umidade em períodos que antecedem fortes tempestades, bem como durante e posteriormente a sua ocorrência, visando identificar possíveis padrões de oscilações que podem ser utilizados como alertas em previsões por nowcast;

52 Séries do IWV-GPS e processos convectivos Estudos do comportamento das séries temporais do IWV durante eventos convectivos ao associar as mesmas com valores de perfis de pressão temperatura e vento; Frente de trabalho liderado por David Adams da Universidade Estadual do Amazonas.

53 Projetos GPS-Meteorology Aproveitando as potencialidades do GPS na meteorologia foram criados nos Estados Unidos: Projeto GPS/MET onde um satélite LEO com um receptor GPS foi lançado para viabilizar a técnica de radio ocultação; Projeto COSMIC (Constellation Observing Meteorology, Ionosphere and Climate) (em conjunto com Taiwan); Projeto SUOMINET (Real-Time National GPS Network for Atmospheric Research and Education); Esses e outros projetos integram um projeto maior denominado GENESIS (GPS Environmental & Earth Science Information System).

54 Projetos GPS-Meteorology Na Europa dois projetos merecem destaque: GASP (GPS Atmosphere Sounding Project) na Alemanha COST-716 (European Co-operation in the Field of Scientific and Tecnical Research 716) envolvendo 15 diferentes países.

55 Projetos GPS-Meteorology Principais objetivos: Criar um sistema de informação da distribuição do IWV; A utilização desse sistema de informação para minimizar o efeito da troposfera no posicionamento com GPS; Construir uma base de dados nacional contendo informações do IWV/GPS para uso interdisciplinar.

56 Redes GPS disponíveis no Brasil e futura densificação. Projetos e agências relacionados (cores no mapa) Rede Brasileira de Monitoramente Continuo (IBGE-INCRA): 67 estações; Rede do estado de São Paulo (temático FAPESP): 11 estações; Projeto SIPEC Geofísica INPE (Petrobras-INPE): 85 estações; Total 163 estações a serem disponíveis.

57 O uso do GPS na Meteorologia (GPS meteorologia) Comentários/dúvidas/discussão...