Perfil generalizado da atmosfera do Nordeste: Aplicação do produto MOD07

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1 Perfil generalizado da atmosfera do Nordeste: Aplicação do produto MOD07 Juarez Dantas de Souza 1, Andretti de Lima Dari 2 & Thays Karolyne Barbosa Lira 3 1 Profº Dr. do Departamento de Matemática da Universidade Estadual da Paraíba. Av. Januncio Ferreira S/N, , Campina Grande-PB, juarezdantas@uepb.edu.br. 2,3 Departamento de Engenharia Ambiental, Universidade Estadual da Paraíba. 2 andretti_ld@hotmail.com. 3 tha_karolyne@hotmail.com. RESUMO: O conhecimento exato do perfil atmosférico é fundamental em estudos Climatológicos, determinação de taxas de aquecimento e correção atmosférica. Informações precisas sobre o perfil atmosférico podem ser obtidas por radiossondagem realizadas no local. No entanto, o alto custo operacional dificulta sua realização e conduz muitos pesquisadores a utilizar informações de atmosfera padrão como referência. O perfil de uma atmosfera padrão pode não ser compatível com o perfil de uma atmosfera local, em conseqüência, induz erros nos resultados desejados, como exemplo, na estimativa da transmitância da atmosfera. Numa escala de 5 km o produto MOD07 fornece a temperatura do ar e do ponto de orvalho em vinte níveis de pressão 1000, 950, 920,..., 5 (mb). Neste trabalho, usando informações do produto MOD07, determinou-se um perfil padrão (pressão, temperatura, densidade e água precipitável) para a atmosfera do Nordeste em 34 camadas de 1 km de espessura. O resultado mostra que a atmosfera do Nordeste tem as mesmas características que uma atmosfera tropical padrão. No entanto, as diferenças existentes até 3 km de altitude podem, por exemplo, provocar erros superiores a 10% na estimativa da transmitância da atmosfera, faixa termal. Palavras-chave: Atmosfera padrão, MOD07, Vapor d água, Nordeste. ABSTRACT: Accurate knowledge of the atmospheric profile is important in climatological studies, determination of heating rates and atmospheric correction. Accurate information about the atmospheric profile can be obtained by radiosonde realized at the site. However, the high operating cost make difficult its accomplishment and leads many researchers to use data from standard atmosphere as a reference. The profile of a standard atmosphere may not be compatible with the profile of a local atmosphere, as a consequence, errors in the desired results are induced, for example, in estimating the atmosphere transmittance. At a scale of 5 km, MOD07 product provides air temperature and dew point in twenty pressure levels: 1000, 950, 920,..., 5 (mb). In this work, using information from the MOD07 product, it was determined a standard profile (pressure, temperature, density and precipitable water) to the atmosphere of the Northeast in 34 layers. The result shows that the atmosphere of the Northeast has the same characteristics of a standard tropical atmosphere. However, differences up to 3 km altitude may, for example, lead to errors exceeding 10% in estimating the atmosphere transmittance in the thermal range. 1. INTRODUÇÃO Em estudos na área de Climatologia e Física da atmosfera, informações sobre a distribuição vertical dos parâmetros atmosféricos (temperatura, densidade do ar, umidade

2 relativa, vapor d água, etc.) são essenciais. Em modelos de correção atmosférica, informações precisas sobre o perfil atmosférico, podem reduzir o erro na estimativa da temperatura da superfície (Ellicott et al., 2009). De modo que é preciso cautela ao avaliar a influência da atmosfera sem conhecer seu perfil, ao menos, é interessante ter um perfil de referência, em particular, a atmosfera do Nordeste está mais para uma atmosfera padrão tropical que uma atmosfera padrão U. S (MacClatchey et al., 1971). É difícil determinar o perfil padrão de uma atmosfera numa região com variações climáticas e grandes variações na altitude da superfície, como exemplo, o Nordeste. Neste trabalho, procura-se determinar um perfil padrão para a atmosfera do Nordeste tendo como referência, o produto MOD07 que com resolução de 5 km fornece o perfil vertical da temperatura em 20 níveis de pressão; 1000, 950, 920,..., 5. Numa atmosfera tropical, a superfície tem pressão 1013 mb, temperatura 300 K e densidade 1,17 kg.m -3 ; a troposfera tem altura 15 km, pressão 132 mb e temperatura 210 K; o topo da tropopausa é 18 km, pressão 78,9 mb e temperatura 199 K. Já a estratosfera na altitude de 35 km apresenta pressão 6 mb, temperatura 243 K e densidade 0,009 kg.m -3. Essas características da atmosfera tropical servem para comparar os resultados obtidos com o produto MOD07 para a atmosfera do Nordeste. 2. MATERIAL E MÉTODOS De imagens MOD07, foram utilizados, parâmetros de altitude, pressão e temperatura a superfície, perfil de temperatura nos vinte níveis de pressão; 1000, 950, 920, 850, 780, 700, 620, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10, 5 (mb). Foram selecionadas vinte imagens do ano de 2009, que cobriam pelo menos 70% da região do Nordeste, por não apresentar essas condições, as imagens de janeiro, novembro e dezembro não foram utilizadas. A Pressão atmosférica a superfície (Po) classificada nas faixas; ( ), ( ), ( ) e ( ) mb, estão distribuídas sobre a região Nordeste conforme a Figura 1. Já a altitude (Z) classificada nas faixas; (0-300), ( ), ( ) e ( ) m conforme a Figura 2. Essas variações na altitude da superfície dificultam estabelecer o perfil atmosférico, por outro lado, devido a resolução espacial do produto MOD07 (5 km) as variações de Po e Z podem apresentar diferenças em relação a valores pontuais, por exemplo, o pico do Jabre, localizado na Paraíba (7 15 S; W), tem altitude de 1197 m mas não aparece em pixels do MOD07. Com os dados de Temperatura do ponto de orvalho (K ) determinou-se a pressão do vapor (e), usando a equação de Tetens (V ianello & Alves, 1991, Lenoble, 1993). Com os dados de Pressão (Pa) e Temperatura do ar (K), os demais parâmetros foram determinados como segue. Umidade específica, q (g/g): Densidade do ar, ρ (kg/m 3 ): = 0,622 0,378 (1) =, = 287,05(1 + 0,608 ) (2) Espessura de cada camada em metros, dz: = (3)

3 em que (m/s 2 ) é a aceleração da gravidade, é a densidade média e dp a espessura da camada em Pa. Quantidade de água precipitável, dw (cm), na camada com espessura dp: = 2 (4) em que é a umidade específica da camada. Para determinar o perfil atmosférico em 34 camadas com 1 km de espessura, foi feita uma análise de regressão entre a altitude (Z) e a pressão (P). Considerando a variação de pressão na Figura 1, determinou-se os perfis atmosféricos para as faixas de pressão; ( ), ( ) e ( ) mb. Para cada uma dessas faixas foi estabelecido uma média entre os meses; fevereiro e outubro. Com essas médias, determinou-se um perfil generalizado para a atmosfera do Nordeste. Figura 1. Variação da pressão a superfície (P 0 ) no Nordeste. Figura 2. Variação da altitude da superfície no Nordeste.

4 3. RESULTADOS Na Tabela 1, mostra-se o perfil generalizado da atmosfera do Nordeste. Os valores entre parênteses indicam as diferenças, para mais ou para menos, em relação a uma atmosfera modelo Tropical de MaCclatchey et al. (1971). Os desvios, ±1,6 K, no perfil da temperatura e ± 0,01kg.m -3 no perfil da densidade, revelam características semelhantes entre as duas atmosferas. Com relação aos desvios na pressão, é interessante observar que os desvios apresentados na Tabela 1, são menores que os desvios entre uma atmosfera de média latitude e a atmosfera tropical. A Tabela 1, coluna água precipitável, refere-se à quantidade de água precipitável na camada com espessura de 1 km e topo na altitude Z. A diferença na água precipitável em toda coluna, com 99% até 10 km de altitude, é 0,4 cm e na fração de água precipitável na camada com topo em 1 km a maior diferença é 0,07. Na ultima coluna da Tabela 1, mostra-se, como exemplo, no comprimento de onda 12,04 µm, para água precipitável em toda coluna 3,7 cm, a transmitância da atmosfera no nível Z e a transmitância total 0,518. A transmitância foi estimada usando as parametrizações de Robert et al. (1976). Esse resultado mostra que, para fins de correção atmosférica na faixa termal, o que está acima de dos 10 km de altitude pouco importa. Tabela 1. Perfil vertical generalizado para a atmosfera do Nordeste. Z (km) P(mb) Temp. (K) Densidade (kg.m -3 ) Água. pre. (cm) Fração de água pre. Trans. para λ = 12,04 µm ,5 (0,5) 1,155 (-0,01) 1 896,2 (7,8) 294,8 (0,8) 1,048 (-0,02) 1,64 0,44 (0,07) 0, ,6 (6,4) 288,9 (0,9) 0,956 (-0,01) 0,95 0,26 (-0,01) 0, ,0 (4,0) 282,9 (-1,1) 0,872 (0,00) 0,53 0,14 (-0,03) 0, ,5 (1,5) 276,7 (-0,3) 0,793 (0,00) 0,28 0,08 (-0,01) 0, ,0 (0,0) 270,3 (0,3) 0,720 (0,00) 0,14 0,04(-0,01) 0, ,8 (-0,8) 263,9 (-0,1) 0,651 (0,00) 0,07 0,02(-0,01) 0, ,3 (-0,3) 257,3 (0,4) 0,586 (0,00) 0,03 0,01(-0,01) 0, ,1 (0,9) 250,7 (0,7) 0,526 (0,00) 0,02 0,00 (0,0) 0, ,9 (2,1) 244,0 (0,0) 0,469 (0,00) 0,01 0,00 (0,0) 0, ,3 (4,7) 237,2 (0,2) 0,416 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,1 (6.9) 230,4 (0,4) 0,367 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,1 (9.9) 223,4 (-0,6) 0,321 (-0,01) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,4 (-7,4) 216,4 (-0,6) 0,305 (0,01) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,6 (0,4) 209,4 (-0,6) 0,259 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,9 (3.3) 202,2 (-1,7) 0,232 (0,01) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,6 (3,4) 197,0 (0,01) 0,190 (-0,01) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,7 (1,9) 205,4 (2,4) 0,110 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,1 (0,8) 213,1 (-1,9) 0,066 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,2 (0,5) 220,1 (-0,9) 0,040 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,8 (1,0) 226,7 (-0,3) 0,024 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,6 (0,9) 232,8 (-1,2) 0,014 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0, ,5 (1,4) 238,5 (-1,5) 0,008 (0,00) 0,00 0,00 (0,0) 0,518

5 4. CONCLUSÕES A sondagem fornecida pelo MOD07 ainda precisa ser validada na região em estudo. No entanto os resultados evidenciam que a atmosfera do Nordeste não pode ser comparada com uma atmosfera padrão (U.S. 1976), ela se identifica com uma atmosfera tropical (MacClatchey et al. 1971). Na tabela 1, o perfil da atmosfera para superfícies com altitudes acima de 0 km pode ser obtido por interpolação. Com os resultados da Tabela 1 é possível redistribuir a quantidade de água precipitável conhecendo apenas o total de toda coluna atmosférica. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ELLICOTT, E. VERMOTE, E. PETITCOLIN, F. HOOK, S. J. Validation of a New Parametric Model for Atmospheric Correction of Thermal Infrared Data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol 47, n. 1, , LENOBLE J. Radiative transfer in scattering and absorbing atmospheres. A. Deepak Publishing, 532 pp McCLATCHEY, R.A. FENN, R.W. SELBY, J.E.A. VOLZ, E.E. & GARING, J. S. Optical properties of the atmosphere. Environ. Res. Pap Air Force Cambridge Res. Lab. Bedford, Massachusetts, 85 pp VIANELLO, R. L. & ALVES, A. R. Meteorologia Básica e Aplicações. Imprensa Universitária, Viçosa, MG, 1991.