Capítulo 8 Instrumentação

Transcrição

1 Capítulo 8 Instrumentação

2 Caracterização das Nuvens e da Chuva Medidas in Situ Avião: Plataformas instrumentadas Disdrômetros, Pluviômetros Medidas de Sensoriamento Remoto Radar Meteorológico

3 Avião Laboratório de Pesquisas Atmosféricas ALPA / UECE Contatores de partículas Tubulação (Inlets) para aerossóis Sistema de aquisição de dados

4 The NSF/NCAR Hercules C-130Q

5 NSF/NCAR L-188C ELECTRA 1. Fuselage Apertures (15) 6. Sensor Pylons (2) 2. Radiometer Pods (2) 7. Radome Gustprobe 3. Pylon Wing Boom--PMS Probes (2) 8. ELDORA (Doppler Radar) 4. Dropsonde Dispenser (1) 9. Nose Radar (Collins WXR-700C) 5. Sensor Mount Pods (8) 10. Oceanographic Probe Dispensing (1)

6 ELectra DOppler RAdar (ELDORA) O ELDORA esta montado em avião Lockheed P-3 que é operado pelo laboratório de pesquisa naval (NRL) dos EUA..

7 O ELDORA tem um radar meteorológico com 2 antenas dispostas na cauda do avião que giram em um eixo longitudinal. Uma antena aponta para a frente e a outra para traz, o que proporciona dois eixos helicoidais cônicos separados entre km. O radar é Doppler e opera na Banda X e possui resolução de volume iluminado de m e faz varreduras com uma rotação de 24 RPM

8 Caçadores de Furacões da NOAA Lockheed WP-3D Orion "Kermit" (N42RF) e Miss Piggy" (N43RF),

9 The UWyo King Air research aircraft (N2UW), desde Wyoming Cloud Radar WCR

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11 Substituto do EDOP

12 HIWRAP is a dual-frequency (Ka- and Kuband), dual-beam (300 and 400 incidence angles), conical scan, solid-state transmitter-based Doppler radar system. It was designed for operation on the highaltitude (20 km) Global Hawk UAV. HIWRAP utilizes solid state transmitters along with a novel pulse compression scheme.

13 Instrumentação em Aviões de Física de Nuvens Temperatura do ar (Total) Avião Comercial Temperatura do ponto de orvalho Pressão atmosférica e dinâmica Concentração de tamanho de gotículas, gotas de chuva e cristais de gelo Conteúdo de água líquida Radar Meteorológico Velocidade vertical Contador de núcleos de condensação e aerossóis

14 Temperatura total Termômetro de resistência de platina Rosemount Termômetros de resistência baseiam-se no principio que um condutor varia em função da temperatura. A platina em sua forma pura resiste a contaminações e oferece estabilidade mecânica e elétrica. Este condutor possui uma relação linear entre temperatura e a resistência.

15 Temperatura do ponto de orvalho A temperatura do ponto de orvalho é medida através da técnica de espelhos resfriados. A temperatura de um espelho é reduzida até que a saturação do vapor seja atingida e haja deposito de água sobre o mesmo. Higrômetro EG&G 137

16 Temperatura do ponto de orvalho Quando a temperatura se aproxima do ponto de orvalho temos condensação sobre o espelho, logo resistores foto elétricos conseguem medir alterações das propriedades de reflexão do espelho. A temperatura do espelho, medida por um termômetro de resistência de platina, corresponde à temperatura do ponto de orvalho. Higrômetro EG&G 137

17 Pressão Pressão estática e dinâmica - Transdutor de capacitância variável A Pressão Dinâmica (Qc) é produzida pelo ar em movimento que se choca sobre um objeto. A Pressão Estática (Ps) ou atmosférica é a pressão produzida pela concentração das moléculas de ar. Para medir estas pressões utilizamos o sistema pitotestático que mede a pressão estática e de pitot-dinâmico que é utilizada para determinar a velocidade do ar.

18 Pressão Pressão estática e dinâmica - Transdutor de capacitância variável Basicamente temos sensores de capacitância variável que medem a pressão através das variações da distancia entre o diafragma e o substrato, causadas pela oscilação da pressão externa, alterando a capacitância entre os eletrodos. A pressão dinâmica (Qc) é a diferença entre a pressão total do tubo de pitot (Pt) e a pressão estática (Ps). Qc = Pt - Ps.

19 Espectro de gotas de nuvem Forward Scattering Spectrometer Probe, FSSP 100 Dye, J.E. and D. Baumgardner 1984: Evaluation of the forward scattering spectrometer probe Part I: Electronic and Optical Studies, J. Atmos. and Oceanic Tech., 1, mede partículas com diâmetros de 0,5 µm a 47 µm

20 Espectro de gotas de nuvem Optical Array Probe 1D - OAP A medida que o tamanho do hidrometeoro aumenta já não é mais possível relacionar o espalhamento da luz do laser com o tamanho, porém podemos usar a sombra da luz.

21 Espectro de gotas de nuvem Optical Array Probe 1D - OAP O OAP 1D ilumina um arranjo linear de fotodiodos com laser He-Ne. A medida que a partícula passa pelo foco do feixe, uma sombra é criada sobre os diodos e o número de diodos sombreados representa o tamanho da partícula.

22 Espectro de gotas de nuvem Optical Array Probe 1D - OAP Os sensores 200X medem partículas com diâmetros entre 40 µm a 280 µm com incrementos de 20 µm; os sensores 200Y medem entre 300 µm a µm com incrementos de 300 µm.

23 Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros Particle Spacing Monitor - PSM PSM fornece a estrutura espacial da distribuição de partículas de nuvem através da medição do espaçamento entre as partículas. Este instrumento monitora a contagem total de partículas da FSSP ou OAP-1D e mede o tempo entre cada contagem. Esta medida da uma idéia da estrutura fina da nuvem (se é contínua ou tem buracos)

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26 Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros Cloud Imaging Probe - CIP Este sensor detecta as partículas que passam em um laser que dispõe de 64 elementos de uma matriz linear. A amostragem é feita a cada 250 nano-segundos, o que permite reconstruir a imagem de uma particula com 25 m de resolução.

27 Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros Cloud Imaging Probe - CIP Espectrometro óptico que mede o tamanho e forma de partículas entre 25 m a 1550 m e conteúdo de água líquida de 0,01 a 3 g/m3

28 Conteúdo de água liquida Sensor de fio quente, Csiro King e Johnson Williams O conteúdo de água para um dado volume pode ser determinado pela integração da massa detectada pelos contadores FSSP, OAP da PMS e o CIP, ou a partir de um fio quente.

29 Conteúdo de água liquida Sensor de fio quente, Csiro King e Johnson Williams O sensor de fio quente relaciona a variação da resistência de um fio aquecido que é resfriado pelas gotas que evaporam ao colidirem com o fio. Logo a potência necessária para manter a temperatura cte é proporcional ao LWC. O J-W mede as variações na resistência elétrica enquanto o King mede a potencia necessária para manter o fio a temperatura constante.

30 Velocidade Vertical

31 Contador de CCNs Os contadores de CCN em geral são baseados na câmara de Wilson (difusão de vapor) que detectam opticamente particulas que são iluminadas por um laser a medidas que elas crescem. Em câmaras super-saturadas, o vapor condensa sobre aerossóis, logo ao precipitarem sobre um feixe de laser começam a espalhar luz.

32 Contador de CCNs A intensidade da luz espalhada (vários CCNs) é proporcional ao número de CCNs ativos. As câmaras variam a temperatura entre as placas para aumentar ou diminuir a saturação. Tampa superior Eq. CC Tampa inferior

33 Radar Meteorológico Hipóteses O transmissor (antena) irradia a energia EM de forma isotrópica (todas as direções); A energia EM que retorna ao radar é proveniente de partículas esféricas de água ou gelo A energia EM será espalhada em todas as direções igualmente Lembrete: Potência é energia por unidade de tempo

34 A potência média recebida sobre um número grande de alvos (gotas e cristais de gelo) pode ser expressa como ( i ) seção transversal de retro-espalhamento P R P T G r 2 4 n t 0 I onde a somatória é sobre o volume iluminado (V m ) que espalha de volta a energia para o radar. Volume iluminado

35 Figura 4.2 ilustra a seção transversal de espalhamento normalizada (/a 2 ) para esferas de água e gelo e para um =3.21 cm (banda X)

36 Note que para muito pequeno, aumenta com (entre 1 e 2) Gelo Água A diferença entre a água e o gelo deve-se à constante dielétrica, onde: Água é um espalhador mais eficiente do que o gelo, pois a água cria um dipolo mais alinhado. Para > 2, do gelo é maior que a da água, uma vez que a absorção da água excede a do gelo O Comportamento de para grande é altamente oscilatório, pois existe um espalhamento grande na direção de propagação da onda que está associado a múltiplas reflexões da onda.

37 O Comportamento de para grande é altamente oscilatório, pois existe um espalhamento grande na direção de propagação da onda que está associado a múltiplas reflexões da onda.

38 Sendo que para << 1, ou seja, o raio da gota é muito menor que e assim temos a aproximação Rayleigh. Logo a seção transversal de espalhamento pode ser descrita por: onde Di é o diâmetro da partícula e K o índice de refração da partícula i I D K m m m m K

39 Água Termo T( o C) Comprimento de onda (cm) K Im(-K) I K 2???????? Gelo Termo T( o C) K x10-4 Im(-K) x x10-4

40 Usando a aproximação Rayleigh, ou seja, < 0.22 (2a/) temos que o diâmetro máximo observado para o diferentes radares é: Banda (cm) Freq(GHz) < D(mm) observado água ( gelo) S 10,0 3 7 (16,0) C 5,0 6 3,5 (8,0) X 3,0 10 2,1 (4,8) K 1,0 30 0,7 (1,6) W 0,4 75 0,25 (0,64) Portando os radares Banda S detectam todos os hidrometeoros exceto as grandes pedras de gelo, porém radares com pequeno entram na região de espalhamento Mie, isso implica que estes radares são mais indicados para a medidas de física de nuvens.

41 Finalmente, a Potência recebida pelo retro-espalhamento de partículas esféricas pode ser expressa como: Espalhamento Rayleigh: P R P T G 2 h (ln 2 ) 3 2 K r 2 2 volume D i 6 Espalhamento Mie P R 16 P T G 64 2 h 2 (ln 2 2 ) r 1 2 volume i onde o Fator Refletividade do Radar Z é volume D 6 i enquanto que a Refletividade do Radar é volume i

42 Logo se soubermos a distribuição de tamanho das partículas dentro do volume iluminado pelo radar, podemos expressar Z como: Z n i D i 6 ou Z 0 N 6 ( D ) D dd Sendo assim podemos expressar a Potência recebida pelo radar em termos do Fator Refletividade do Radar e a constante do Radar K P R Cte 2 r 2 Z

43 Como podemos inferir a Precipitação? Sabemos que o fator refletividade do radar (Z) é proporcional à distribuição de tamanho de gotas vezes o D 6. Portanto se houvesse uma maneira de expressar o Conteúdo de Água Líquida (LWC) ou a Taxa de Precipitação (R) em função da distribuição de tamanho de gotas, podemos relacionar estas grandezas com as medidas feitas pelo radar meteorológico.

44 Sendo que a Taxa de Preciptação pode ser expressa como: E o conteúdo de água líquida pode ser expressa como: 0 3 ) ( ) ( 6 ) / ( dd D V D D N h m R T ) ( 6 ) / ( dd D D N m g LWC L

45 Logo a partir das relação Z-R ou Z-LWC podemos obter estes parâmetros. Mas para isso temos que ter uma idéia da distribuição de tamanho de gotas, N(D). Estas medidas de distribuição são feitas em geral a partir de medidas com disdrômetros ou coletores de partículas em aeronaves. O disdrômetro mede a distribuição de tamanho de gotas (DSD) em um intervalo de tempo a partir do impacto das gotas sobre uma superfície de 50 cm 2. O impacto das gotas provoca uma vibração na membrana, sendo que esta energia mecânica é então proporcional a um tamanho.

46 Medidas realizadas em 1948 (Marshall e Palmer) indicaram que as precipitações estratiformes seguiam uma distribuição exponencial, enquanto que mais tarde observou-se que as convectivas seguiam uma distribuição gamma e ou lognormal. De uma maneira simplificada, podemos utilizar a expressão exponencial proposta inicialmente por Marshall e Palmer (1948) e derivar as relações Z-R e Z-LWC. Para isso assumimos: N ( D ) N cm exp D, gotas / 0 3 (R) = 4,1R -0,21 mm -1 [R(mmh -1 )] e N 0 = 0,08 cm -4

47 Logo a Z pode ser expresso por: Z [ mm ( 7 ) 6! m ] N ( D ) D dd 0 0 N 0 exp 6 D D dd N N Mashall e Palmer encontraram que =f(r), na forma de (R) = 4,1R -0,21 Portanto, Z N 6! 6! 7 x 0, 21 N R ,1 R 1, 47 mm m 3 6 Porém na literatura temos que a relação ZR é: Z 200 R 1, 6

48 CHUVA - Belém

49 Radar de Apontamento Vertical - MRR CHUVA - Belém

50 Relação Z-R e Z-M para gotas de água e cristais de gelo e neve. Tipo Z(mm 6 /m 3 ) x M(g/m 3 ) Z(mm 6 /m 3 ) x R(mm/h) Chuva (MP) M = 3,93x10-3 Z 0,55 Z = 200R 1,6 São Paulo (Morales) M = 1,4 x10-3 Z 0,64 Z = 378R 1,34 Neve e agregados M = 1,7x10-2 Z 0,45 Z = 150R 1,54 Granizo (molhado) M = 9,5x10-7 Z 1,02 Z = 486R 1,37 Granizo (seco) M = 5,5x10-6 Z 0,97 Nuvem M = 4,56Z 0,5 Z = 69R 1,8 Obs: para mais relações utilizar: 1) Sauvageot, H., and J. Omar, 1987: Radar Reflectivity of Cumulus Clouds. J. Atmos. Oceanic Technol., 4, , e 2) 2) Battan L.J., 1973: Radar Observation of the Atmosphere.

51 Contadores de gotas de chuva: Disdrômetro

52 Disdrômetro de Impacto Joss-Waldvogel Este instrumento tem a característica de medir a distribuição de tamanho de gotas de chuva (DSD ou RDSD) através de um espectrômetro eletromecânico, onde as gotas incidem sobre uma área de 50 cm2.

53 Este instrumento baseia-se no princípio de compensação automática da força produzida por uma gota que atinge a superfície do sistema receptor rígido (auto-falante). O efeito de compensação faz com que o sistema rígido receba somente uma parte ínfima da energia de movimento na forma de calor. Assim, o sistema retorna imediatamente a sua posição inicial. Os pulsos elétricos gerados pelo sistema receptor são classificados por um analisador, com 20 canais, que são usados para separar os pulsos elétricos do disdrômetro em 20 diferentes classes de tamanho de gotas. [0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.90,1.1,1.3,1.5,1.7,1.95,2.25,2.55,2.85,3.15,3.5,3.9,4.3,4.75,5.25]

54 O pulso gerado pela gota esta relacionado pela amplitude U em Volts e o diâmetro da gota D em mm incidente. U = 0,94D 1,47

55 CHUVA - Belém N [ m m m -3 \ m m h r -1 ] F l o r i d a C o n t F l o r i d a M a r L B A C o n t L B A M a r I n d i a C o n t I n d i a M a r K w a j M a r D [ m m ] Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM Rosenfeld and Tokay, 2002

56 Disdrômeto ótico a laser Parsivel (PARticle SIze and VELocity) Thies

57 Parsivel (PARticle SIze and VELocity ) Este instrumento mede o tamanho e a velocidade de queda dos hidrometeoros caindo sobre um feixe de laser.

58 O sensor transmite um feixe de luz horizontal que é convertido em um sinal elétrico. O sinal muda a medida que os hidrometeoros caem sobre o feixe.

59 O grau de escurecimento/bloqueio é uma medida do tamanho do hidrometeoro e a duração do sinal está relacionado com a velocidade de queda.

60 O sensor PARSIVEL detecta 8 tipos de hidrometeoros: garoa, mistura de garoa/chuva, chuva, mistura de chuva/neve, neve, grãos de neve, chuva congelada e granizo. Comprimento de Onda do Laser: 650 nm Potência do Laser: 1 mw Dimensões do feixe: 180 x 30 mm (Largura x Diâmetro) Área da medida: 54 cm² Tamanho das partículas: 0,2 a 25 mm Número de Classes: 32 de tamanha e 32 de velocidade

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62 Thies Este instrumento tem o mesmo princípio de detecção do PARSIVEL. Porém com algumas caracteristicas eletrônicas diferentes.

63 Caracteristicas Comprimento de onda do Laser: 785 nm Potência do Laser: 0,5 mw Área de Medida: 46 cm² (23 x 2.0 cm) Classificação de Classes: 440 ( 22 diâmetro x 20 de velocidade) Tamanho: 0,16-8 mm Velocidade: 0,2 a 20 m/s

64 Convertendo gotas ou hidrometeoros em concentração N d (D) Dt L V j t ( D ( D ) ) A Onde Nd(D) é a concentração de gotas por unidade de volume. Lj é o numero de gotas no canal j de diâmetro entre Dj e Dj+1, Dt é o tempo de amostragem, Vt(D) é a velocidade terminal da gota D e A é a área coletora do disdrômetro.

65 Exemplos de observações em nuvens

66 Frediane, TRATAMENTO DOS DADOS EM NUVENS

67 Pressão [m] Latitude CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS: Estação Chuvosa EC06 20/02/ :00 ÀS 20:14Z Longitude Longitude Frediane, Dados tomados continuamente em espiral descendente

68 CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS: Estação Chuvosa EC06 20/02/ :00 ÀS 20:14Z Pressão (mb) Pressão (mb) Diminuição da Concentração e LWC entre 550 e 500mb Máximo em níveis altos - sustentadas pela corrente ascendente N(D) [cm -3 ] EC fssp - LWC(D) [g/m 3 ] Máximo em níveis baixos - precipitação EC 06 EC Presença de LWC proveniente de gotas médias e grandes DC - LWC(D) [g/m 3 ] DP - LWC(D) [g/m 3 ]

69 CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS: Estação Chuvosa EC06 20/02/ :00 ÀS 20:14Z Conteúdo de Água Líquida (g/m 3 ) Concentração (cm- 3. dm -1 ) Conteúdo de Água Líquida (g/m 3 ) Concentração (cm- 3. dm -1 ) Conteúdo de Água Líquida (g/m 3 ) Concentração (cm- 3. dm -1 ) 1E+02 1E+01 1E+00 1E-01 Maiores Concentrações 1E-02 em níveis mais altos 1E-03 Processo de 1E-01 crescimento das gotículas conforme a 1E-02 ascensão vertical 1E-03 Maior Concentração de gotículas em 12,5m Distribuições Bi-modais E+00 Diâmetro - FSSP [m] 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 Migração das gotas dos níveis 1E-11 altos para os níveis baixos conforme Diâmetro o crescimento: 1E+00 - OAP 2DC [m] 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 Precipitação e coleta 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 EC mb 550 mb 600 mb 650 mb 700 mb 750 mb 800 mb 850 mb 900 mb E+00 Diâmetro - OAP 2DP [m] 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 Evidência de precipitação: predominância das gotas em níveis baixos 1E-04 1E-05 Maior LWC em 32,5m 1E-05 1E-06 1E-05 1E Diâmetro - FSSP [m] Diâmetro - OAP 2DC [m] Diâmetro - OAP 2DP [m]

70 Referencias Francisco Geraldo de Melo Pinheiro, Um Novo Contador de Núcleos de condensação de Nuvens Baseado em Técnicas de Visão Computacional, Tese de Doutorado, UFC, %20CIP%20Manual.pdf Maria Eugenia B. Frediani, Microfísica das nuvens Amazônicas: Propriedades dos hidrometeoros observados durante as campanhas WetAMC/TRMM/LBA 1999 e DryToWet/RACCI 2002, Dissertacao de Mestrado, USP.