DEGRADAÇÃO E COMPARAÇÃO DE IMAGENS GOES COM A PRECIPITAÇÃO PREVISTA PELO MODELO BRAMS RESUMO

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1 DEGRADAÇÃO E COMPARAÇÃO DE IMAGENS GOES COM A PRECIPITAÇÃO PREVISTA PELO MODELO BRAMS Elder Almeida Beserra 1, Enilson Palmeira Cavalcanti 2 RESUMO Este trabalho tem como objetivo comparar a precipitação prevista pelo modelo atmosférico BRAMS com a nebulosidade obtida a partir de imagens do satélite GOES. Para isso foi feita a degradação das imagens para a mesma resolução de grade do modelo, ou seja, 20x20 e 5x5 km e formato do GrADS. Os resultados mostraram que as imagens degradadas mantiveram as características de mesoescala observadas nas imagens originais. Também, observa-se que a taxa de precipitação prevista após 24 horas de integração mantém certa coerencia com a nebulosidade para esse horário. Esses resultados são considerados preliminares visto que apenas um caso foi estudado. Palavras-chave: precipitação, modelo BRAMS, imagens GOES. DEGRADATION AND COMPARISON OF GOES IMAGERY WITH THE PRECIPITATION FORESEEN BY THE BRAMS MODEL ABSTRACT This work have the objective to compare the precipitation foreseen by the atmospheric model BRAMS with the cloudiness obtained from images of the GOES satellite. For that, it was made the degradation of the images to the same resolution of the model, or either, 20x20 and 5x5 km in the GrADS file format. The results had shown that the degraded images had kept the mesoscale characteristics observed in the original images. Also, it is observed that the precipitation rate foreseen after 24 hours of integration keeps certain coherence with the cloudiness for this period. These results are considered preliminary since that only one case was studed. Keywords: precipitation, BRAMS model, GOES imagery. INTRODUÇÃO O Brazilian Regional Atmospheric Modeling System (BRAMS) está sendo rodado em produção pela Unidade Acadêmica de Ciências Atmosféricas, para auxiliar a previsão de tempo sobre a região Nordeste do Brasil (NEB). Essa iniciativa faz parte do projeto Segurança hídrica: Grades apoiando a gestão sustentável dos recursos hídricos para usos urbano, rural e agrícola (SegHidro) custeado pela Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). 1 Aluno (bolsista de Iniciação Científica/CNPq) do Curso de Graduação em Meteorologia da Unidade Acadêmica de Ciências Atmosféricas, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Gande, PB, eldermeteo@gmail.com 2 Prof.essor, Unidade Acadêmica de Ciências Atmosféricas, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB, enilson@dca.ufcg.edu.br

2 Apesar de todo esforço feito para que o BRAMS represente bem todos os processos físicos e dinâmicos existentes no sistema terra atmosfera, existem limitações, entre outras, de natureza operacional e que influenciam na qualidade da previsão. Exercícios de validação do modelo auxiliam detectar falhas e podem apontar para sua possível solução. As observações da atmosfera obtidas por satélite meteorológico, assim como, as obtidas pela rede meteorológica convencional, comparadas as previsões do modelo, auxiliam na busca da validação desse modelo. Neste contexto, comparar a previsão de precipitação gerada pelo BRAMS com a nebulosidade obtida a partir da imagem gerada por satélite meteorológico e disposta na mesma resolução da grade do modelo, é uma iniciativa interessante e que pode, no futuro, contribuir significativamente para o melhoramento da previsão numérica regional. Portanto, obter informações básicas das imagens, como a intensidade do pixel, na mesma resolução da grade do modelo é o desafio deste trabalho no sentido de comparar a precipitação gerada pelo modelo numérico BRAMS e nebulosidade obtida por satélite numa mesma plataforma de visualização como o Grid Analysis and Display System (GrADS), Doty, (1998). MATERIAL E MÉTODOS Características da execução do BRAMS O BRAMS constitui-se em uma versão brasileira do Regional Atmospheric Modeling System RAMS descrito por Pilke (1984); Pielke et al. (1992) e Walko et al. (1995). Na versão BRAMS temse um melhoramento do código e a implementação no modelo da parametrização de nuvens rasas, o que torna o modelo mais completo para utilização no Brasil e em especial na região do NEB. Para a execução do BRAMS utilizam-se como condições iniciais e de contorno informações do modelo atmosférico global do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE), baixados diariamente via ftp. As informações de umidade do solo são obtidas do laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo Regionais da Universidade de São Paulo (MASTER/USP), também são baixados diariamente. Já os dados de Temperatura da Superfície do Mar (TSM) são obtidos semanalmente do National Centers for Environmental Prediction/National Oceanic and Atmospheric Administration (NCEP/NOAA). Na Figura 1a tem-se um esquema do fluxo de execução do BRAMS. No pós-processamento são geradas imagens e arquivos no formato GrADS para as áreas com grades de 20x20 km e 5x5 km conforme exemplifica a Figura 1b. Os arquivos de análise no formato GrADS podem ser acessados pelo Grads Data Service (GDC) da UFCG no endereço

3 a) b) Figura 1 a) Fluxo de execução do BRAMS na UFCG e b) Áreas de domínio das grades de 20 x 20 km e 5 x 5 km Processo de degradação das imagens Para visualizar e comparar os resultados do modelo BRAMS com as imagens de satélite trabalhou-se numa forma de sobrepor os dois resultados (modelo e satélite) para serem analisados no GrADS. Primeiro, as imagens com os recortes da grade do modelo (20km e 5km) foram convertidas em formato texto com suas respectivas coordenadas locais (longitude e latitude) e intensidade de cada pixel. Os valores de intensidade correspondente a cada ponto central da grade foram obtidos como uma média ponderada dos valores de intensidade dos pixels da imagens segundo a técnica proposta por Barnes (1964). A interpolação foi feita da forma: em que: N F(, i j) F( λφ, ) W / W n N =. (1) n n= 1 n= 1 Fi (, j ) é o valor calculado para o ponto de grade; F( λ, φ) é o valor do pixel na longitude ( λ ) e latitude ( φ ); W n é o peso atribuído para cada pixel em relação ao ponto de grade i,j e N é o número de pixels utilizados no cálculo de cada Fi (, j). O peso será calculado pela expressão: 2 2 Wn EXP( d /4D S = Δ 2 ) (2) em que: d é a distância entre o ponto de grade e o pixel; D é um parâmetro de filtragem de Barnes e ΔS é o espaçamento da grade. Observa-se que o peso varia de zero a um (0 1). Será um se o pixel coincidir com o ponto de grade e zero para uma certa distância d controlada pelo parâmetro de filtragem. O resultado da interpolação é salvo em um arquivo binário, possibilitando assim a sua leitura através do GrADS.

4 As imagens de satélite interpoladas ficam com o mesmo tamanho de grade das informações do modelo. Sendo assim, as duas informações podem ser facilmente comparadas e sobrepostas. RESULTADOS E DISCUSSÕES Degradação e visualização no GrADS Na Figura 2a tem-se a imagem original obtida pelo satélite GOES (channel IR4) com um recorte sobre a região do NEB (18ºS-01ºN; 49ºW-28ºW) para o dia 18 de maio de 2006, referentes às 12:00 UTC e na Figura 2b, o resultado da interpolação dessa imagem segundo Barnes (1964) para a grade de 20 km e formato de visualização do GrADS. Pode-se observar que mesmo com a degradação da imagem, de uma resolução de 4 por 4 km para 20 por 20 km, são preservadas as características da imagem com bandas de nebulosidade sobre o Ceará e litoral leste do NEB. Com isso, observa-se que a imagem embora degradada consegue reproduzir padrões de nebulosidade associados a sistemas de meso-escala. Esse resultado é importante para fins de comparações com resultados de modelos numéricos, por exemplo: a nebulosidade indicada pelo modelo deve ser compatível com a nebulosidade observada por satélite. Em relação a precipitação pode-se afirmar que embora nem toda nuvem produza precipitação mas toda precipitação, forçosamente, está associada a nuvens. (a) (b) Figura 2 a) Imagem original GOES (channel IR4) com recorte sobre o Nordeste; b) Resultado da interpolação segundo Barnes (1964) e visualizada no GrADS utilizando a grade de 20 km para 18/05/ :00 UTC O mesmo processo foi executado para uma resolução de 5x5 Km. A Figura 3a refere-se a um recorte da imagem real para a área de 10,5-05,5 S e 34,5-41,5 W. A Figura 3b corresponde a mesma imagem ajustada para a grade menor de saídas do modelo. Nesse caso, a correspondência

5 entre imagem original e o campo ajustado para a grade do modelo é ainda mais evidente, uma vez que a resolução do modelo e imagem são 5x5 e 4x4, respectivamente. Vale ressaltar que as imagens degradadas e no formato do aplicativo GrADS, para as duas resoluções, podem ser facilmente processadas para obtenção de subprodutos utilizando-se de algoritmos descritos na literatura pertinente. Essas informações ainda podem ser disponibilizadas em um servidor de dados do GrADS, o Grads Data Service - GDS. a) b) Figura 3 a) Imagem original GOES (channel IR4) com recorte cobrindo completamente os Estados da PB e PE; b) Resultado da interpolação segundo Barnes (1964) e visualizada no GrADS utilizando a grade de 5 km para 18/05/ :00 UTC Nebulosidade e precipitação BRAMS A Figura 4 refere-se à nebulosidade média entre 11 e 12 UTC do dia 18 de maio de 2006 representada pela intensidade do pixel, enquanto que, as isolinhas em verde representam a taxa de precipitação prevista no modelo BRAMS para 24 horas de integração (o modelo foi iniciado as 12 UTC do dia 17 de maio de 2006) e grade de 20x20 km. Pode-se observar que nas áreas onde indicam precipitação existe nebulosidade coerente. A nebulosidade observada sobre o norte da Bahia e Alagoas são características de Cirrus e não produzem precipitação. Para a grade menor, de 5 x 5 km, após 24 horas de integração, os resultados apresentaram-se consistentes com a nebulosidade visualizada pela imagem média (11 e 12 UTC do dia 18 de maio de 2006) obtida por satélite. Conforme Figura 4a pode-se observar taxas de precipitação indicadas pelo BRAMS sobre a Paraíba e que não foram apontadas na escala maior. Sobre o Estado de Pernambuco observam-se áreas fragmentadas de precipitação, embora, na resolução menor já se perceba indícios com pouco detalhamento dessas áreas (Figura 4b). Algumas dessas áreas de precipitação sobre o Oeste dos Estados de Pernambuco e Paraíba, assim como, Sul do Ceará não estão associadas a nenhuma nebulosidade, aparentando erro na previsão da taxa de precipitação das 24 horas (12 UTC do dia 18 de maio de 2006). Considera-se importante a comparação com a taxa de precipitação observada por estações automáticas, mas não foi possível o acesso a essas informações. Comparações com campos da taxa

6 de precipitação estimada por satélite forneceram essa mesma coerência ( Os resultados apresentados devem ser observados com bastante cuidado já que se trata de um único caso estudado e que nesse período não se teve precipitação significativa registrada na Paraíba e Pernambuco. Faz-se necessário uma melhor avaliação, portanto, sugerem-se estudos de casos com características sinóticas bem definidas com precipitação significativa e a utilização de precipitação observada através de estações automáticas ou Plataformas de Coletas de Dados (PCDs). a) b) Figura 4 Dia as 12 TMG, 24 horas de integração a) Grade 20x20 km; b) Grade 5x5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARNES, S.L. A technique for maximizing details in numerical weather map analysis. Journal of Applied Meteorology. AMS, Boston, USA. 3, DOTY, B. The grads analysis and display system. Versão para língua portuguesa: Pesqueiro, J.F. Operação Meteorológica/CPTEC/INPE. Cachoeira Paulista SP p. GOES I-M DataBook, National Aeronautics and Space Administration. Reference #S , August p. PIELKE, R.A. Mesoscale meteorological modeling. Academic Press p. PIELKE, R.A.; COTTON, W.R.; WALKO. R.L.; et al. A comprehensive meteorological modeling system RAMS. Meteorology and Atmospheric Physics. Austria. 49, WALKO, R.L.; TREMBACK, J.C.; HERTENSTEIN, R.F.A. The regional atmospheric modeling system. Version 3b, User s Guide. Fort Collins: ASTER Division p.