ACA0413 Meteorologia Por Satélite Sondagens Atmosféricas por Satélites

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1 ACA0413 Meteorologia Por Satélite Sondagens Atmosféricas por Satélites Vinicius Sperling e Rômulo Oliveira

2 Sondagem vertical da atmosfera por satélites O uso operacional de satélites despertou o interesse dos meteorologistas em obter dados da atmosfera mesmo em condições de céu nublado. Em 1978 foi lançado, a bordo do satélite TIROS-N, o primeiro sensor capaz de produzir um perfil de temperatura da troposfera e da baixa estratosfera, o MSU (Microwave Sounder Unit). Desde 1998, uma versão incrementada do MSU passou a ser usada em satélites de órbita polar, o AMSU (Advanced Microwave Sounder Unit). Seus dados proporcionam perfis verticais de temperatura e umidade relativa, que são extensivamente incorporados a modelos de previsão numérica.

3 Fontes de dados observacionais Sondagens de temperatura e umidade atmosférica fornecem informações importantes para a previsão de tempo e monitoramento das mudanças climáticas; Sondagens atmosféricas (balões) como fontes primárias Baixa densidade (espacial e temporal) de observações de radiossonda - oceano/00 e 12 UTC Distribuição Global da Rede de Radiossondas Durre, I., R. S. Vose and D. B. Wuertz. 2006: Overview of the Integrated Global Radiosonde Archive. Journal of Climate: Vol. 19, No. 1, pp

4 Fontes de dados observacionais Trajetória associada a passagem de um único satélite polar durante 6 horas

5 Fontes de dados observacionais Trajetória associada a passagem de 3 satélites de orbita polar durante 6 horas

6 Fontes de dados observacionais Vantagens GEO - ampla cobertura regional - alta resolução temporal > previsão de curto prazo (nowcasting) > tracking (motion vectors) > ciclo diurno (convecção) Desvantagens - cobertura global limitada por único satélite - moderada resolução espacial (VIS/IR) > 5-10 km para VIS/IR > maior ainda para MW LEO - cobertura global por único satélite - baixa resolução temporal - alta resolução espacial >importante para PNT

7 Sondagem vertical da atmosfera por satélites Os radiômetros a bordo de satélites podem ser subdivididos em duas classes: os imageadores e os sondadores. Sensores imageadores se baseiam em medidas de radiância solar (refletida pela atmosfera ou superfície) e de radiância no infravermelho (emitida pela atmosfera ou superfície). Os sondadores verticais da atmosfera provêm perfis verticais de temperatura, pressão de vapor d água e alguns gases traço presentes na atmosfera, que são extensivamente incorporados a modelos de previsão numérica. São sensores passivos que fazem medidas em diferentes canais das regiões espectrais do infravermelho e/ou das microondas.

8 Fontes de dados observacionais IMAGEADOR SONDADOR Banda espectral larga Banda espectral estreita Pixels alta resolução Pixels maiores (menor resolução) Observação estrutura horizontal Observação em diferentes altitude Alta resolução temporal Baixa resolução temporal Pequena absorção (com exceção pelas nuvens) Forte absorção pelos gases atmosféricos D.

9 19 bandas espectrais do sondador GOES - 12 {10 UT 05 Oct UT 06 Oct 2006} Adaptado: Dr. Wade& Schimidt (NOAA)

10 Sondagem: principio básico da Transferência Radiativa Equação da transferência radiativa Observado pelo satélite L( ) 0 Radiância no topo da atmosfera na frequência v Nossa descrição da atmosfera d ( ) B(, T ( z )) dz dz Função de Planck Absorção da atmosfera Emissão da Reflexão da + superfície+ superfície + Nuvens/ Chuva Outras contribuições para a Radiância medida +...

11 Observações de Radiância em diferentes freqüências (Canais) Radiâncias são medidas por sensores a bordo de satélite em diferentes frequências (canais). Com a seleção da radiação em diferentes frequências ou CANAIS os instrumentos dos satélites podem fornecer informações sobre variáveis geofísicas específicas em diferentes regiões da atmosfera. Em geral, as frequências/canais usados na PNT podem ser considerados em dois tipos: a) Canais de sondagem atmosférica. b) Canais sensíveis à superfície

12 Observações de Radiância em diferentes frequências (Canais) a) Canais de sondagens atmosféricas Canais de sondagem estão localizados em partes do espectro do infravermelho e do microondas. A principal contribuição da radiância medida por estes canais é da atmosfera, a qual pode ser descrita pela equação: L( ) 0 d ( ) B(, T ( z )) dz dz Onde: B=Função de Planck t = transmitância T = temperatura z = coordenada da altura Estes são usados para obter informações sobre temperatura e umidade atmosféricas (ou outros constituintes que influenciam a transmitância, ex.: CO2). Canais com frequências/comprimento de onda para as quais a radiação da superfície e de nuvens são importantes são evitados.

13 Observações de Radiância emsounding diferentes freqüências (Canais) 1. ATMOSPHERIC CHANNELS a) Canais de sondagens atmosféricas Canais de sondagens atmosféricas sem a contribuição a partir da superfície

14 19 bandas espectrais do sondador GOES - 12 {10 UT 05 Oct UT 06 Oct 2006} Adaptado: Dr. Wade& Schimidt (NOAA)

15 Observações de Radiância em diferentes freqüências (Canais) a) Canais de sondagens atmosféricas Exemplo de Canais de sondagens atmosféricas MW ( GHz) AMSUA-channel 5 (53GHz)

16 b)observações Canais sensíveis à superfície de Radiância em diferentes freqüências (Canais) b) Canais sensíveis à superfície (instrumento passivo) SSM/I channel 7 (89GHz) Exemplo de Canais de sensíveis à superfície HIRS channel 8 (11microns)

17 Sondagem: principio básico da Transferência Radiativa Equação da transferência radiativa Radiância no topo da atmosfera Medição pelo satélite L( ) 0 Radiância no topo da atmosfera na frequência v Nossa descrição da atmosfera d ( ) B (, T ( z )) dz dz Função de Planck Absorção da atmosfera Emissão da Reflexão da + superfície+ superfície + Nuvens/ Chuva +... Outras contribuições para a Radiância medida Problema direto Problema inverso

18 Sondagem: principio básico da Transferência Radiativa Sondagem atmosférica Assumindo que: L( ) 0 d ( ) B(, T ( z )) dz dz Em que, K(z) = d dz Considerando que os absorvedores principais são os gases (e.g. oxigênio ou CO 2) com concentrações conhecidas, a radiância medida é essencialmente: L( ) B (, T ( z )) K ( z )dz 0 Em que K(z) conhecida por FUNÇÃO PESO (ou Kernel )

19 Equação de Transferência Radiativa Radiância no Satélite = Radiância Comprimento de onda (radiância de corpo negro na superfície*emissividade na superfície*transmitância na atmosfera) + contribuição atmosférica de muitas camadas. Emissividade da superfície Transmitância da Sup. & Pressão da Sup. Temperatura da Superfície equivalente (Planck) Contribuição da superfície para a radiância emergente Derivada da transmitância atmosférica em relação a pressão Mudança na pressão Perfil de Temp. equivalente (Planck) Contribuição da atmosfera para a radiância emergente The COMET Program

20 Equação de Transferência Radiativa Contribuiçao da superfície para a radiância emergente Contribuição da atmosfera para a radiância emergente Função Peso Contribuição da atmosfera para a radiância emergente Altura Contribuição do topo da Atmosfera Contribuição dos níveis médios da Atmosfera (Valor de pico da Função peso) Contribuição dos níveis baixos da Atmosfera Função Peso The COMET Program

21 Função Peso Derivada a partir da variação vertical da transmitância. Contribuição para a obtenção de informações em vários níveis da atmosfera. Determina a camada da atmosfera que é detectada por um dado canal do espectro. O pico ocorre no nível de pressão que fornece a maior contribuição detectado pelo satélite. As contribuições dos canais espectrais individuais vêm de camadas profundas e sobrepostos.

22 FUNÇÕES PESO IDEAL Se a função peso fosse uma função delta, significaria que a radiância medida é sensível a temperatura de um único nível da atmosfera. z K(z) Se a função peso fosse uma função quadrada, significaria que a radiância seria sensível a temperatura entre dois níveis discretos. z K(z)

23 FUNÇÕES PESO K(z) absorção E T950 hpa E Souza et al,

24 FUNÇÕES PESO K(z) absorção E T500 hpa E Souza et al,

25 FUNÇÕES PESO K(z) absorção E T200 hpa E Souza et al,

26 Funções peso reais... AMSUA 15 channels HIRS 19 channels AIRS IASI

27 Regiões de Absorção do CO2, H2O, e O3 Espectro de radiação IR A grande absorção pelos gases ocorre perto do centro de uma região de absorção Isto corresponde geralmente a temperaturas de brilho mais frias, indicando que a energia está sendo emitida a partir de níveis mais elevados da troposfera.

28 Funções Peso para 2 pontos: canais CO2 (1-5) úmido e seco

29 Funções Peso para 2 pontos: canais H2O (10-12) úmido e seco

30 A equação de Transferência Radiativa problema direto L( ) 0 d ( ) + B (, T ( z )) dz dz Emissão da superfície + Reflexão da superfície + nuvens Souza et al,

31 A equação de Transferência Radiativa problema direto L( ) 0 d ( ) + B (, T ( z )) dz dz Emissão da superfície + Reflexão da superfície + nuvens problema inverso Souza et al,

32 Métodos de Estimativa (Retrievals) Dado um conjunto de radiâncias observadas, qual é o perfil de temperatura? Este é chamado problema inverso. Há três abordagens gerais para os retrievals: Estimativas físicas Estimativas estatísticas Estimativas híbridas

33 Métodos de Estimativa (Retrievals) Físicos: se tenta ajustar a solução matemática através de um processo iterativo de busca até que haja uma concordância entre as radiâncias calculadas e observadas; Estatísticos: encontrar um operador que permita estabelecer uma correspondência direta entre os dados observados (radiâncias) e os parâmetros desconhecidos do problema (perfis); Híbridos: físico + estatístico Souza et al,

34 Métodos de Inferência: Modelo Físico Condição Inicial Firstguess (Ti,qi...) Calculo de K(z) Modelo de TR B obs B mod(ti, qi) B= B mod (Ti, qi)-b obs B< B Ti, qi... Solução B > B Ti=Ti± T, qi=qi± q

35 Extraindo temperatura atmosférica a partir de medidas de radiâncias Se conhecessemos todo o perfil de temperatura atmosférica T(z), então poderíamos calcular (exclusivamente) a radiância medida por um instrumento de sondagem usando a equação de transferência radiativa. Isso é conhecido como problema direto. Para extrair ou recuperar (retrieve) o perfil de temperatura atmosférica de um conjunto de radiâncias medidas é preciso resolver o que é conhecido como problema inverso. Infelizmente, como as funções peso são geralmente largas (vários km em altura) e, além disso, temos um número limitado de canais, o problema inverso é formalmente mal posto, porque um número infinito de diferentes perfis de temperatura poderia dar a mesma medida de radiância. Referência: Rodgers 1976 Retrieval of atmospheric temperature and composition from remote measurements of thermal radiation. Rev. Geophys.Space. Phys. 14,

36 Exemplo: Determinação do perfil de temperatura na região de absorção do CO2 Radiância para o espaço perto do centro da região de absorção (14.7 micrômetros) geralmente corresponde a temperaturas de brilho por satélite mais frias. Distância a partir do centro de uma região de absorção, as temperaturas de brilho aumentam à medida que a absorção pelos gases diminuem, e a radiação da baixa troposfera atinge o satélite. Ao selecionar vários canais espectrais entre o centro e "asa" de uma região de absorção, a atmosfera pode ser sondado em diferentes profundidades Satellite Meteorology: Using the GOES Sounder

37 Dificuldades nas estimativas por Satélites A Radiância é uma média de uma camada profunda, muitas vezes se sobrepõem a outras camadas; As Observacões de Radiâncias (em diferentes canais) NÃO são independentes uma da outra; É difícil separar os efeitos das variações de temperatura e de vapor d água no sinal de radiação; Não há uma relação única entre o espectro de radiação emergente e os perfis de temperatura e umidade do ar; As temperaturas são não-linearmente introduzidas na função de Planck (mas aproximações lineares são frequentemente utilizadas);

38 Dificuldades nas estimativas por Satélites As observações de Radiância possuem erros, causados por erros de instrumento, erros de amostragem, interferência de nuvens e erros na estimativa das funções de ponderação; Devido a todos esses fatores, há um número infinito de perfis de temperatura em que todos satisfaçam as irradiações observadas dentro de suas barras de erro. Assim, devem ser utilizadas estimativas estatísticas; Para ajudar a escolher o melhor perfil, um bom chute inicial (first guess) e condições de contorno são críticos; Sondagens estimadas por satélite são mais úteis em regiões onde faltam outras observações insitu (ex. sobre os oceanos), mas em tais regiões é difícil fornecer um bom chute inicial. Muitas vezes, as modelos numéricos de previsões meteorológicas são utilizados para estimar o chute incial, mas tais previsões costumam desviar-se de forma bastante significativa da realidade sobre os oceanos (baixa densidade de dados).

39 Sondagem vertical da atmosfera por satélites Sondagem a partir de satélites geoestacionários Embora haja sondadores presentes em satélites geoestacionários, como o GOES 8 e 9, a grande maioria desses sensores está a bordo de satélites de órbita polar. Os produtos de sondagem derivados a partir geoestacionários apresentam grandes limitações: baixa resolução espacial baixa resolução vertical de satélites De acordo com pesquisadores da NOAA e da NASA, grandes melhorias nesses produtos estão em desenvolvimento para implantação na nova série de satélites GOES, a GOES-R. A nova técnica, chamada de hiperespectral (já usada em satélites de órbita polar), fará observações em diversos canais para a produção de sondagens.

40 Sondagens GOES e os Produtos Derivados das Imagens Lifted Index CAPE Convective Inhibition Total Precipitable Water Surface Skin Temperature Water vapor winds

41 Total Água Precipitável Utiliza a técnica "split window" para determinar a umidade da camada limite (diferença micrômetros), e os 3 canais "vapor d'água" (6.5, 7.0, 7.5 micrômetros) para umidade na média troposfera. GOES sounder data and products

42 Total Água Precipitável

43 Índice de Levantamento (Lifted) Utiliza retrievals de perfis de temperatura e umidade. Parcela é levantada mecanicamente a partir do nível de 1000 mb até o nível de 500 mb. Aplicações operacionais: potencial convectivo; morfologia convectiva.

44 Índice de Levantamento (Lifted) Valores positivos massa de ar estável Valores negativos massa de ar instável

45 Temperatura da Superfície Utiliza canais de ondas longas no infravermelho janela (11.0, 12.0 micrômetros), canais de ondas curtas (3.8 micrômetros) na noite. Aplicações operacionais: previsão de nevoeiro; previsão de temperatura geada/congelamento; destacar as regiões de aquecimento diferencial.

46 Temperatura da Superfície

47 Pressão no Topo da Nuvem Utiliza canais de ondas longas no IR janela (11.0, 12.0 micrômetros), e canais de CO 2 (13.4, 13.9, 14.1 micrômetros). Utiliza o canal visível e/ou canal IR de ondas curtas (4.0 micrômetros) para "clearing cloud. Aplicações operacionais: ASOS adicionais; TAFs aviação.

48 Pressão no Topo da Nuvem

49 Sondagens GOES e os Produtos Derivados das Imagens Vantagens: Produtos de hora em hora Mostra as tendências, gradientes e advecção Indica instabilidade antes da nuvem se desenvolver Uma boa seleção contra a modelos Desvantagens: Baixa resolução vertical Nuvens evitam os perfis de recuperação Potencial para convecção elevado não diagnosticada A disponibilidade do produto não é feita a tempo (~ 1 hora após hora válida) Cobertura limitada GOES sounder data and products

50 Sondagem vertical da atmosfera por satélites Sondagem a partir de satélites de órbita polar Em 2002 foi lançado, no satélite Aqua, um conjunto de três sensores usados para estimativas de perfil vertical de temperatura e umidade na atmosfera. São eles: i. AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), que cobre o intervalo espectral de 3,7 a 15,4 μm, com medidas em 2378 canais; ii. AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), operando de 23 a 89 GHz, com medidas em 15 canais; iii. HSB (Humidity Sounder for Brazil), com medidas em quatro canais do intervalo entre 150 a 190 GHz. A sinergia desses sensores permitiu que perfis verticais de umidade e temperatura passassem a ser estimados em situações com até 80% de nebulosidade.

51 Sensores Aspectos técnicos e físicos Satélites TIROS-NOAA... NOAA-14 NOAA-15 NOAA-16 NOAA 17 NOAA 18 NOAA-19 Metop NPP

52 Principais Sondadores meteorológicos: NOAA (polar) Campo de visão (FOV - Fields Of View) dos Instrumentos Campo de visão (FOV - Fields Of View) dos Instrumentos 10 km IASI AMSU-A MHS HIRS/4 AVHRR/3 45 km 15 km

53 Sensores / satélite AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer Utilizado para aquisição de imagens globais de nuvens, oceano e terra com a resolução de 1.1km no nadir. AMSU-A Advanced Microwave Sounding Unit Medida global da temperatura na atmosfera com alta resolução vertical MHS Microwave Humidity Sounder Medida global da humidade na atmosfera HIRS High Resolution Infrared Sounder Medida global da temperatura na atmosfera em áreas de céu limpo

54 Sensores Aspectos técnicos e físicos Qual razão de usar as frequências de microonda Microondas: freqüência GHz (1cm 1mm) O efeito da absorção das nuvens no campo de visada do satélite pode ser geralmente negligenciados. Principais absorvedores são oxigênio e a água (chuva pode causar espalhamento e absorção. Maior número de observações é usada: Infra-red: casos de cloud-free ~20% dados Mw: ~90% dados O principal sondador de microondas é o radiômetro AMSU com 20 Canais a bordo dos satélites da série NOAA e MetOp.

55 Sensores Hiperespectrais Aspectos técnicos e físicos Apresentam centenas de canais espectrais, permitindo observar novas características da atmosfera da Terra. Alta resolução vertical dos perfis de temperatura e umidade Gases de efeito estufa. Poluição atmosférica. Melhoria nas estimativas de perfis próximo a superfície. Sondador hiper-espectrais : AIRS/ AQUA (NASA) primeiro sondador >> Novos: IASI/ Metop (EUMETSAT) Nova geração CRIS/NPP No presente momento apenas sondadores a bordo de satélites de orbita polar. Possivelmente em 2020 a bordo de um satélite GEO.

56 Polar Satellite Products for the Operational Forecaster (POES) - Microondas GHz observados pelo SSM/I e AMSU. Frequências abaixo de 200 GHz são relativamente insensíveis às nuvens do tipo cirrus. Frequências abaixo de 50 GHz se encontram dentro de uma região da janela atmosférica e são principalmente sensíveis à emissão de vapor de água, nuvens, precipitação e características da superfície.

57 Espectro Microondas e locais dos canais Região para sondagens de Temperatura entre 50 e 60 GHz

58 AMSU-A AMSU-B Canais Frequências (GHz) e Polarizações Frequências (GHz) e Polarizações R 89.0R R 157.0R R /- 1R R /- 3R R /- 7R R R R R /-.217R / /-.048R / /-.022R / /-.010R / /-.0045R R Notation: x±y±z; x is the center frequency. If y appears, the center frequency is not sensed, but two bands, one on either side of the center frequency, are sensed; y is the distance from the center frequency to the center of the two pass bands. If z appears, it is the width of the two pass bands. Polarization: R = rotates with scan angle. Source: Kidder and Vonder Haar (1995)

59 Stan Kidder s AMSU web page at CIRA:

60 Total Água Precipitável a partir do AMSU e SSMI 3 canais centrados em 183 GHz para sondagens de umidade (TPW) * Total Precipitable Water (TPW) 23GHz para TPW

61 Funções Peso para AMSU B C /- 1R GHz C /- 3R GHz C /- 7R GHz Note: AMSU-B channels 1-5 are often referred to as AMSU channels Stan Kidder s AMSU web page at CIRA:

62 Produtos AMSU TPW Total Água Precipitável (TPW) Água Líquida de Nuvem (CLW) Taxa de precipitação Cobertura de gelo e neve CLW Ice cover Rain rate Snow cover

63 Ozone hole formation over south pole, 9/1 to 12/4,

64 Referências Bibliográficas Notas de aula de Sensoriamento Remoto PGMet/INPE - Sondagem Atmosférica via SR Dra. Simone Sievert da Costa. (disponível link aulas) Notas de aula Meteorological Sounders CIRA/NOAA-RAMMT Dr. Bernie Connel. (disponível link aulas) Notas de aula Sondagem vertical da atmosfera IAG/USP Dra. Márcia Akemi Yamasoe(disponível link aulas) Liou, K. N. An Introduction to Atmospheric Radiation. Second edition. San Diego, Califórnia. International Geophysics Series, vol. 84. Pg e , WALLACE, J. M.; HOBBS, P. V. Atmospheric Science: An Introductory Survey: 2nd edition. [S.l.]: Academic Press, p.