INCORPORAÇÃO DE IMAGENS AVHRR NO MODELO ITPP5.0 PARA CLASSIFICAÇÃO DE PADRÕES DE NEBULOSIDADE

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1 INCORPORAÇÃO DE IMAGENS AVHRR NO MODELO ITPP5.0 PARA CLASSIFICAÇÃO DE PADRÕES DE NEBULOSIDADE Jorge Luiz Martins Nogueira Nelson Jesus Ferreira Eduardo Jorge de Brito Bastos Ana Silvia Martins Serra do Amaral (nogueira, nelson, anasil, Divisão de Meteorologia por Satélite. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Cx. Postal 515 CEP São José dos Campos - SP Abstract This work incorporates data extracted from the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) sensor into the International TOVS Processing Package (ITPP5.0) to improve cloud coverage identification at soundings locations. The analyses were done using radiance data from the meteorological satellite NOAA-14, for the 15 th October, 1997, afternoon passage, covering Southern Brazil and vicinities. The results show that the sounding covering has until five different types of cloud pattern depending on the cloud coverage. 1 Introdução Perfis verticais de temperatura e umidade da atmosfera podem ser inferidos através de técnicas de inversão da equação de transferência radiativa da atmosfera, utilizando-se informações dos sensores TIROS Operational Vertical Sounder (TOVS), a bordo dos satélites de órbita polar TIROS-N/NOAA. Um dos modelos que vem sendo utilizado com sucesso pela comunidade meteorológica mundial é o ITPP, desenvolvido pelo Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) da Universidade de Wisconsin, nos Estados Unidos. Atualmente o ITPP está em sua quinta versão. Uma das novidades apresentadas é a utilização das informações de imagens do AVHRR, que permite melhor classificar o padrão de nebulosidade do local das sondagens, além da correção das radiâncias contaminadas por nuvens nas condições de parcial nebulosidade. Isto é possível devido aos sensores do AVHRR apresentarem resolução espacial (1,1 km) melhor do que a dos sensores do sistema TOVS (17,4 km para o HIRS e 109,3 km para o MSU). Em geral, no Brasil as condições climáticas dominante favorecem a presença de muita nebulosidade. As sondagens remotas úteis são aquelas inferidas para condições de céu claro (sem nebulosidade), portanto, é importante classificá-las corretamente quanto a nebulosidade. Com o objetivo de melhorar a qualidade das sondagens remotas sobre o Brasil, este trabalho incorpora informações de imagens do sensor AVHRR ao pacote ITPP, para determinar o padrão da cobertura de nuvens destas sondagens. 2 - Dados e Metodologia O ITPP5.0 é um pacote computacional que permite inferir perfis verticais de temperatura e umidade, através do processamento de observações dos sensores High Infrared Radiometer Sounder (HIRS) e Microwave Sounding Unit (MSU) do sistema TOVS. A Figura 1 apresenta o fluxograma da versão 5.0 do ITPP utilizada para o processamento do TOVS, onde os módulos em destaque foram desenvolvidos para viabilizar a utilização de dados meteorológicos de superfície, dados meteorológicos gerados por modelos de previsão numérica de tempo, bem como as informações de imagens dos sensores AVHRR.

2 O módulo principal responsável pela geração dos perfis verticais de temperatura e umidade é o <tovrew>. Os perfis iniciais de temperatura (t) e temperatura de ponto de orvalho (t d ) são obtidos utilizando-se coeficientes de regressão ou dados climatológicos do modelo, ou ainda as informações (perfis verticais de t e t d ) dos modelos de previsão numérica de tempo (arquivo ges9999.dat). Dados de superfície também podem ser utilizados para a ancoragem destes perfis iniciais (arquivo sfc9999.dat). Posteriormente, os valores das temperaturas de brilho inferidas pelos canais HIRS são corrigidas, se necessárias, pelo uso das informações AVHRR. Finalmente as radiâncias resultantes dos canais HIRS são utilizadas para a inferência dos perfis verticais finais. Através do auxílio dos dados de imagens (arquivo avh9999.dat) é realizada a identificação/classificação do padrão de nebulosidade dos locais das sondagens. O processamento das informações de imagens é realizado pelo módulo <collac>, que através dos arquivos auxiliares [imag9999] e [hirs9999] gera o arquivo [avh9999.dat]. Figura 1 - Fluxograma do modelo ITPP 5.0. FONTE: Adaptado de Nieman e Achtor (1995, p. 7).

3 O arquivo auxiliar [hirs9999] contem as temperaturas de brilho dos canais infravermelho e o albedo do canal visível dos sensores HIRS. Por sua vez, o programa <ingtow>, quando do processamento dos dados digitais do HIRS, converte os valores digitais dos 19 canais infravermelhos para temperatura de brilho e do canal visível número 20 para radiância. Acrescentou-se portanto ao módulo <ingtow> uma equação para transformar apenas o valor digital do canal visível para albedo, cujo valor é gravado em uma posição disponível do arquivo [hirsingo.dat]. O programa <gerahirs> lê o arquivo [hirsingo.dat] e gera o arquivo com as informações dos sensores HIRS no arquivo [hirs9999]. A conversão do valor digital (v) do canal 20 do HIRS para albedo (S) utilizado pelo programa <ingtow> é uma equação de segundo grau descrita por Kidwell (1991). Normalmente, o termo de segunda ordem é desprezado, resultando em uma equação de primeiro grau, conforme expressa pela Equação 1, sendo que os valores atuais para os satélites NOAA 12 e 14 estão listados na Tabela 1. S = G v + II (1) TABELA 1 - VALORES DE CONVERSÃO DO CANAL 20 DO HIRS/2 SATÉLITE G (% albedo/valor digital) II (% albedo) NOAA-12 0, , NOAA-14 0, , FONTE: Adaptada de NOAA (1995 a, b). O arquivo [imag9999] é constituído basicamente pelas radiâncias referentes às cinco bandas espectrais do AVHRR e pela temperatura do corpo negro interno do satélite. Os valores digitais dos sensores, que possibilitam gerar este arquivo, compõem o formato High Resolution Picture Transmission (HRPT) do sinal transmitido pelo satélite. A temperatura de corpo negro é obtida através da média aritmética das medidas de quatro termopares fixados sobre uma superfície de calibração interna do satélite. A temperatura para um dado termopar é expressa por: T = A o + A 1 v + A 2 v 2 + A 3 v 3 + A 4 v 4, (2) onde A n é a constante de índice n, e v o valor digital da medida de um termopar. Os valores destas constantes, segundo Planet (1988), tanto para o NOAA-12 quanto para o NOAA-14 são: A 0 = 276,597, A 1 = 0,051275, A 2 =1,363 x10-6 e A 3 = A 4 = 0,0. As informações das imagens do AVHRR referentes aos canais 1 e 2 devem ser convertidas para albedo e aos canais 3, 4 e 5 para radiância através de equações lineares de primeira ordem. Os valores dos termos para os dois canais visíveis são valores obtidos antes do lançamento do satélite, enquanto que os valores referentes aos três canais infravermelhos devem ser calculados mediante o processo de calibração realizada a bordo do satélite. Esta calibração consiste na medida da radiação emitida tanto pelo corpo negro interno do satélite quanto pelo espaço livre e inferidas através dos sensores dos canais 3 a 5, cujas leituras digitais compõem o cabeçalho dos dados HRPT. As constantes de primeira ordem para cada canal M j (unidades de radiância / valor digital) e as constantes iniciais K j (unidades de radiância) são calculadas pelas seguintes expressões respectivamente: M j = ( N Tj N SP ) / ( X Tj X SPj ) (5) Kj = N SP Mj X SPj, (6)

4 onde j refere-se aos canais 3 a 5 do AVHRR, N Tj é a radiância inferidas quando o sensor j observa o corpo negro, N SP é a radiância do espaço livre, X Tj e X SPj são as médias dos valores digitais das medidas feitas pelos sensores, das radiâncias do corpo negro e do espaço, respectivamente. Conhecendo-se a temperatura de corpo negro, calculada através da média entre as temperaturas dos termopares, determina-se a radiância emitida no intervalo espectral dos canais 3 a 5 (N Tj ), utilizando a lei de Planck e a curva normalizada de resposta de cada canal em função do comprimento de onda. O valor da radiância do espaço livre (N SP ) é considerado como sendo nulo. Por intermédio do programa <geraima>, no qual foram implementadas estas equações, cria-se o arquivo [imag9999]. Os valores utilizados para as constantes de calibração para os canais infravermelhos estão apresentados na Tabela 2, bem como as constantes de calibração para os canais 1 e 2 do NOAA-14 conforme NOAA (1995b). TABELA 2 - CONSTANTES DE CALIBRAÇÃO PARA O NOAA-14 Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 4 Canal 5 Constante (G) ( %albedo/ valor digital ) 0,1115 0,1337 Constante (II) ( %albedo) -4,5715-5,4817 Constante (M) (mw/ m 2 sr cm -1 / valor digital ) -1,68 E03-0, , Constante (K) (mw/ m 2 sr cm -1 ) 1, , ,291 Foram utilizados dados da passagem do satélite NOAA-14 do horário 17:20 GMT do dia 15 de outubro de Sem a inclusão dos dados AVHRR, as sondagens podem ser atribuídas a três tipos de padrões de nebulosidade, quais sejam, limpo, nebulosidade uniforme e estratosférico. Entretanto, com a incorporação dos dados AVHRR, os locais das sondagens podem ser classificados como: 1. limpo (TIPO 1); 2. parcialmente coberto (TIPO 2); 3. multi-camadas de nebulosidade (TIPO 3); 4. nebulosidade uniforme (TIPO 4); 5. estratosférico (TIPO 5). Os tipos 1, 4 e 5 são similares aos tipos encontrados nas versões sem a inclusão das informações de imagens AVHRR. Nestes casos os locais classificados como tipo 4 englobam tanto os tipos 2 como os tipos 3. Sendo assim, com a incorporação dos dados AVHRR os locais das sondagens podem ser melhor classificados quanto ao padrão de nebulosidade, além da possibilidade da correção das radiâncias inferidas pelo HIRS em condição parcial nebulosidade (Smith et al., 1993). 3 - Resultados e Conclusões A Figura 2 apresenta um setor da passagem do NOAA-14 (leste do Estado de São Paulo e adjacências) com os locais e os tipos de nebulosidade associadas às sondagens inferidas pelo modelo ITPP5.0. A incorporação de imagens no modelo ITPP5.0 teve um impacto positivo na qualidade das sondagens, em função da melhor classificação do padrão de nebulosidade quando comparadas com as versões anteriores. Deve ser observado que as sondagens normalmente utilizadas são aquelas inferidas de locais sem nebulosidade (TIPO 1), em que não houve a contaminação por nuvens da radiância medida pelos sensores

5 do HIRS, ou as sondagens que foram corrigidas (TIPO 2), o que implica numa quantidade maior de sondagens úteis com a incorporação das informações do AVHRR. Fig. 2 - Setor da passagem NOAA-14 dia 15/10/97 hora 17:20 GMT mostrando os locais das sondagens com os padrões de nebulosidade associados. Referências Bibliográficas Kidwell, K.B., ed. NOAA polar orbiter data users guide. Washington: NOAA, July p. Nieman, S.J.; Achtor, T. H. ITPP-5.0 user s guide. Wisconsin. University of Wisconsin- Madison. Jun (A Report from the CIMSS). National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). NOAA-12 calibration. [online]. < Jun. 1995a. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). NOAA-14 calibration. [online]. < Jun. 1995b. Planet, W. G., ed. Data extraction and calibration of TIROS-N/NOAA radiometers. Washington: NOAA, Oct p. (NOAA Technical Memorandum NESS 107) Smith, W.L.; Woolf, H.M.; Nieman, S.J.; Achtor, T.H. ITPP-5 - The use of AVHRR and TIGR in TOVS data processing. In: International TOVS Study Conference, 7., Igls, Austria. Feb , Proceedings. Reading, Ed. J.R. Eyre, p