Modelagem Troposférica para a América do Sul utilizando Previsão Numérica de Tempo com Assimilação de Dados e sua avaliação utilizando GNSS

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE PRESIDENTE PRUDENTE FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas Modelagem Troposférica para a América do Sul utilizando Previsão Numérica de Tempo com Assimilação de Dados e sua avaliação utilizando GNSS Tayná Aparecida Ferreira Gouveia Orientador: João Francisco Galera Monico Co-Orientador: Luiz Fernando Sapucci

2 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativas Revisão Bibliográfica Metodologia Cronograma

3 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativas Revisão Bibliográfica Metodologia Cronograma

4 MOTIVAÇÃO Modelo regional ETA 20 é o único modelo de previsão de tempo com assimilação de dados na América Latina, operacional no CPTEC/INPE, é um modelo empregado para gerar o ZTD, com resolução horizontal de 20 km; Com a melhoria da assimilação de dados e a instalação do novo supercomputador no CPTEC/INPE que passará a gerar previsões de tempo mais confiáveis, com mais dias de antecedências e com melhor qualidade, será possível rodar modelos de maior resolução espacial; Contribuir com a melhoria das previsões da umidade sobre a América do Sul e consequentemente com a melhoria das previsões do atraso zenital troposférico Melhor resolução temporal e espacial.

5 MOTIVAÇÃO

6 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativas Revisão Bibliográfica Metodologia Cronograma

7 OBJETIVOS Modelagem da troposfera para a América do Sul, através de um sistema regional de assimilação e PNT, com o intuito de minimizar o erro no sinal GNSS, para aplicações em tempo real e no modo pós-processado; Re- Processamento de dados GNSS para produção de atraso, visando: analisar a qualidade do novo sistema de assimilação Filtro de Kalman Local por Conjunto (LETKF - Local Emsemble Transform Kalman Filter); Climatologia do Atraso Zenital Troposférico utilizando re-análise sobre a América do Sul; Utilizar o sinal GNSS para caracterizar o ciclo diurno da umidade, uma vez que o GNSS proporciona uma série temporal contínua de informações de umidade; Gerar um produto de atraso (TROPO Rinex) para uso na Geodésia.

8 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativas Revisão Bibliográfica Metodologia Cronograma

9 JUSTIFICATIVAS Hopfield e Saastamoinen, utilizaram pontos de coletas das observações meteorológicas em sua maioria no hemisfério norte, apresentando-se inapropriadas para a região da América do Sul, quando se busca resultados acurados. Assim, mostra-se necessário o desenvolvimento de modelos específicos para essa região. Além disso, como a Floresta Amazônica possui uma vasta dimensão, esta exerce grande influência no clima global, o que torna essa região única;

10 JUSTIFICATIVAS As melhorias da assimilação de dados no Brasil, e a instalação do novo supercomputador instalado no CPTEC/INPE que passará a gerar previsões de tempo mais confiáveis, mais dias de antecedências e melhor qualidade, devem ser aproveitadas para que uma modelagem da troposfera esteja disponível para aplicações geodésicas; Nas aplicações do GNSS na meteorologia com o uso da assimilação de dados no Brasil, poderá contribuir com a melhoria das previsões da umidade sobre a América do Sul e consequentemente com a melhoria das previsões do atraso zenital troposférico.

11 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativas Revisão Bibliográfica Metodologia Cronograma

12 A atmosfera terrestre na meteorologia é dividida através da variação da temperatura com a altitude. ATMOSFERA

13 ATMOSFERA A atmosfera terrestre na Geodésia é dividida pela ionização das camadas: Troposfera (0 a 50 km) camada eletricamente neutra; Ionosfera (acima de 50 Km) camada ionizada.

14 TROPOSFERA Região mais próxima à superfície; Composta por gases e vapor d água; Meio não dispersivo, a refração independe da frequência do sinal transmito e sim das condições termodinâmicas do ar.

15 ATRASO ZENITAL Desaceleração que o sinal GNSS sofre ao ultrapassar a Troposfera, devido aos gases presentes nessa camada; O atraso troposférico na direção satélite-receptor (DTROP) é causado pela variação do índice de refração (n) dos gases atmosféricos em relação ao espaço livre;

16 ATRASO ZENITAL Fonte:

17 ATRASO ZENITAL n capacidade de um meio causar mudanças na direção e alteração da velocidade de uma onda eletromagnética propagada por ele (n = c/v); S - diferença da distância percorrida pelo sinal é a S g distância geométrica; E ainda: Como (n - 1) está muito próximo da unidade ele é expresso por N = (n - 1)10 6 N - refratividade do ar. As variações de N em uma direção qualquer podem ser vistas na direção zenital, através das funções de mapeamento.

18 FUNÇÃO DE MAPEAMENTO As funções de mapeamento a partir das medidas de temperatura, pressão e umidade, relacionam o atraso zenital troposférico com o ângulo de elevação do satélite observado, projetando-o na direção satélite-receptor para a direção zenital, facilitando a modelagem do atraso; Existem diversas funções de mapeamento: Lanyi, Davis, Niell, Vienna, isobárica ; Os valores obtidos pelas funções de mapeamento apresentam um avanço na qualidade, principalmente com o desenvolvimento de novas versões (VIENNA e Isobárica) ao empregar a PNT.

19 FUNÇÃO DE MAPEAMENTO fonte: As linhas azuis: direção satélite-receptor A linha vermelha: direção zenital.

20 ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO Componente Seca ZHD (Zenithal Hidrostatic Delay): composta por gases (nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio); varia com a temperatura e pressão atmosférica local; predito com razoável precisão, pois possui uma variação de 1% em várias horas. Componente Úmida ZWD (Zenithal Wet Delay ): devido a influência do vapor d água na atmosfera; varia de 1 à 35 cm no zênite, corresponde a 1/10 do atraso total; variação temporal é muito maior (20% no intervalo de horas); ainda é impossível obter boa precisão. ZTD (Zenithal Tropospheric Delay ) ZTD = ZHD + ZWD

21 ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO ZHD ZWD Dado N em função: da temperatura (T) ; densidade do ar (ρ); pressão parcial do vapor d água (e); altitude (h); constante específica (R h ) para os gases hidrostáticos, o inverso da constante de compressibilidade do vapor d água (Z -1 w ) e k 1, k 2, k 3 constantes da refratividade atmosférica.

22 ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO ZHD depende apenas da densidade do ar atmosférico (ρ), seus valores podem ser obtidos a partir de medidas de pressão à superfície (P 0 ), da latitude local (φ), e da altitude (h 0 ) em quilômetros. ZWD está relacionado com a razão de mistura entre o vapor d'água e os gases hidrostáticos, tornando difícil sua determinação a partir de medidas à superfície.

23 Modelagem do ZTD A utilização de Modelos Matemáticos que tratam do ZTD, minimizam o erro gerado pelo atraso. Sendo basicamente dois: Hopfield (supõe que N é dado em função de T e P 0 ) e o de Saastamoinen (equilíbrio hidrostático). Modelo de Hopfield mh(e) = (sen(e 2 +6,25) 1/2 ) -1 mw(e) = (sen(e 2 +2,25) 1/2 ) -1

24 Modelo de Saastamoinen Modelagem do ZTD

25 O Uso de PNT para a modelagem da troposfera A PNT tem como princípio básico a obtenção do estado futuro da atmosfera em um instante (t), conhecidas as leis de evolução do estado da atmosfera, com base em seu estado inicial (t 0 ) obtido através das observações, utilizando-se então um modelo físico da atmosfera que possa ser integrado no tempo através de procedimento numérico;

26 O Uso de PNT para a modelagem da troposfera O melhor resultado na previsão está relacionado com a capacidade de modelar, com mais eficiência a atmosfera terrestre, a partir de uma boa descrição de seu estado inicial; Os modelos de PNT podem ser divididos pela área de abrangência da superfície modelada, podendo ser globais, ou regionais (melhor resolução espacial); No Brasil, atualmente é utilizado o modelo regional ETA20 (operacional no CPTEC/INPE).

27 Assimilação de Dados Processo que produz conjuntos de dados, ou análises, a partir de observações iniciais do estado da atmosfera em evolução e pelo estado da atmosfera dado por um modelo matemático; Esse processo em um modelo de PNT é um procedimento cíclico onde os resultados gerados pelo modelo de PNT com integração curta (t-6), são usadas como valores iniciais (FG First Guess) pelo sistema de assimilação;

28 Assimilação de Dados O FG é combinado com observações disponíveis em um instante t, gerando um estado da atmosfera chamado de análise, que mais se aproxima da realidade física nesse instante; A análise é utilizada para integração do modelo de PNT como condição inicial para gerar o próximo FG (t+6), e previsões do estado da atmosfera para épocas futuras (t+6, t+12, t+18,...).

29 Assimilação de Dados

30 Assimilação de Dados

31 Assimilação de Dados

32 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativa Referências Bibliográficas Metodologia Cronograma

33 METODOLOGIA Para o PNT será utilizado o modelo operacional do em uso no pelo CPTEC, já citado (ETA, resolução de 12 km); A avaliação dos resultados através de comparação do atraso obtido via o modelo de PNT e a dos advindos do GNSS; Os valores estimados do atraso troposférico via GNSS serão de processamento de dados com software científicos, em princípio o GIPSY- OASIS II ; O atraso troposférico da PNT será convertido em formato adequado pra sua utilização em softwares científicos (e comerciais).

34 CONTEÚDO Motivação Objetivos Justificativa Referências Bibliográficas Metodologia Cronograma

35 CRONOGRAMA Realização deste projeto, estão previstos 24 meses: A - Obtenção dos créditos junto ao PPGCC; B - Revisão bibliográfica sobre o assunto; C - Aprimoramento da Metodologia; D - Preparo e realização do exame de qualificação; E - Processamento dos dados e análise dos resultados; F - Correções eventuais; G - Redação da dissertação de mestrado. TRIMESTRE Fase 3º 1º 2º 3º 1º 2º 3º 1º A X X X B X X X X X X X C X X X X X D X X X X X E X X X X X F X G X X X X

36 OBRIGADA