The impact of interpolation of meteorological measurements in the quality of IWV-GNSS. values

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1 The impact of interpolation of meteorological measurements in the quality of IWV-GNSS Mariana Dias Chaves Luiz Fernando Sapucci João F. Galera Monico values

2 Sumário Introdução; Propagação dos erros do IWV; Experimento; Dados analisados.

3 Introdução As observáveis básicas do posicionamento geodésico utilizando o Sistema Global de Navegação por Satélites (Global Navigation Satellite System - GNSS) são: distâncias entre as antenas dos satélites artificiais do sistema e dos receptores com base nos sinais de radiofrequência. Uma das fontes de erros associadas a esse tipo de medidas é a camada eletricamente neutra da atmosfera terrestre, Troposfera, que causa o chamado atraso troposférico (Tropospheric Delay D trop ) nos sinais que a percorrem. Figura 1: Propagação do sinal de radiofreqüência na atmosfera Fonte:

4 Introdução O D trop pode ser estimado juntamente com a minimização das demais fontes de erros das observáveis GNSS. As estimativas do atraso, quando tratadas na direção zenital (Z TD ) podem ser convertidas em estimativas do vapor d água integrado na atmosfera (Integrated Water Vapor - IWV). Os valores do IWV apresentam um benefício potencial para a Previsão Numérica de Tempo (PNT), pois com a assimilação desse tipo de dado é corrigida a estrutura vertical do vapor d água, e, por conseqüência, se obtêm um melhor estado inicial no modelo. Atualmente, encontra-se em fase de teste a assimilação desses dados no Centro de Previsão de Tempo e estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC-INPE).

5 Introdução O emprego de redes de monitoramento contínuo dos sinais GNSS para essa finalidade, no caso, a utilização dos dados da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) sobre o território brasileiro requer que medidas de pressão atmosférica e temperatura sejam realizadas junto à antena GNSS para obter a máxima precisão nos valores do IWV. Na ausência de tais medidas, algumas alternativas podem ser a utilização de valores oriundos de Plataformas de Coleta de Dados (PCDs) ou de informações provenientes das estações meteorológicas convencionais homologadas pela Organização Mundial de Meteorologia.

6 Introdução Figura : Estações meteorológicas automáticas do Brasil Fonte: Figura 3: Estações RBMC no Brasil Fonte: ftp://geoftp.ibge.gov.br/rbmc/relatorio/rbmc_010.png

7 Introdução Embora as PCDs possuam coleta automatizada e independam da intervenção humana para a realização das medições, muitas delas estão munidas de barômetros de baixa precisão (1 hpa). Já nas estações convencionais, o problema é que as medidas são efetuadas por operadores e por isso a taxa de coleta não é uniforme sendo requerido uma interpolação temporal nas medidas. Em ambas as opções há a problemática de que a densidade de estações não é grande e, por isso, há estações GNSS em que as meteorológicas mais próximas estão distantes alguns quilômetros, exigindo nesse caso uma correção nas medidas em função da distância.

8 Propagação dos erros do IWV O IWV é estimado e expresso em função de medidas. IWV Z WD. R w 10 k ' 6 k 3 Tm Z TD Z HD Z WD Z HD (, x10-3 ) (1-0,006 cos Ps - 0,0008 h) IWV f ( Z TD, Z HD, Z WD, Tm, R W, K ', K 3 ) Tais medidas estão dispersas em torno de um valor, apresentando variância. Para efetivar uma eficiente assimilação do IWV, a análise das fontes de erros presentes na conversão do valor do atraso em IWV é um fator determinante na precisão dos valores. Dessa forma, esses erros devem ser quantificados corretamente.

9 Propagação dos erros do IWV A avaliação das medidas nas quantidades calculadas e eventuais correlações como funções das dispersões das medições é definida como a Propagação de Variância-Covariância (Propagação dos erros). Z HD Assim, aplicando-se a Lei de Propagação Variância-Covariância nas equações, tem-se: 0,0008 (1 0,0006, cos( ) x10-3 P s 0,0008 h) Ps (1 0,0006, cos( x10 ) -3 0,0008 h) h Z WD Z TD Z HD Y k ' K T M 3 W 10 R W 6 Y IWV W ' Z WD RW K K 3 Z WD Z WD RW Y T M Y K T 3 4 M Y T M

10 Experimento Figura 4: Localização das estações GNSS e Meteorológicas Para analisar os dados provenientes das estações e confirmar a importância da determinação da propagação da variância das variáveis do IWV, dados de estações meteorológicas e GNSS foram organizados e analisados sob dois aspectos: os impactos em função da latitude e altitude em que se encontram tais estações. Para análise de latitude, foram consideradas as seguintes estações: Belém (BELE), Recife (RECF), Rio de Janeiro (RIOD) e Santa Maria (SMAR). Para a análise da altitude, foram consideradas as seguintes estações: Rio de Janeiro (RIOD), São Paulo (SAOP), Presidente Prudente (PPTE) e Brasilia (BRAZ).

11 Experimento

12 Experimento

13 Experimento Para análise dos resultados apresentados nas tabelas, ao considerar os dois aspectos investigados e a incerteza na temperatura de 1K, a figura a esquerda foi elaborada e apresenta os valores dos desvios padrão em função da latitude. Da mesma maneira, a figura ao lado apresenta os desvios padrão em função da altitude.

14 Experimento A análise dos resultados mostrados na figura com relação à latitude indica que as incertezas: apresentam comportamento diretamente proporcional à incerteza da pressão. Quanto a comparação entre as estações: o maior valor do desvios padrão de IWV está na estação SMAR, e; o menor valor é encontrado na estação BELE. Tais resultados revelam que a incerteza apresenta um padrão de ser maior quanto maior a latitude da estação.

15 Experimento Quanto a análise com relação à altitude, os resultados indicam que os valores do IWV também apresentam comportamento diretamente proporcional à incerteza da pressão. Quanto a comparação entre as estações: os maiores valores de desvios padrão de IWV estão dispostos nas estações SAOP e BRAZ respectivamente, situadas na maiores altitudes, e; valores menores de desvios padrão encontram-se nas estações localizadas em baixas altitudes. Tais resultados revelam que a incerteza é diretamente proporcional aos valores de altitude.

16 Dados analisados Para a conversão de valores do Z TD em valores de IWV há a necessidade de que medidas da pressão atmosférica de boa qualidade na altura da antena GPS estejam disponíveis. A configuração ideal para isso é que os sensores sejam instalados próximos à antena GPS e que sejam providos de sistemas apropriados de leitura automática e disponibilizados de forma contínua. No entanto, as estações GNSS e meteorológicas disponíveis não são densas e por isso há estações GNSS em que as mais próximas estão distantes alguns quilômetros exigindo, neste caso uma correção nas medidas.

17 Dados analisados A localização espacial das estações meteorológicas e GNSS, instaladas na cidade de Salvador (BA), por exemplo, indicam que, embora a rede de estações meteorológicas no Brasil seja, em algumas regiões, densa, a distância entre as estações não atende a aplicação. Em contrapartida, é possível identificar um tipo de problemática envolvendo a distância das estações meteorológicas e GNSS com a qualidade e distribuição espacial dos dados medidos das estações disponíveis. Nesse caso, tem-se uma estação meteorológica ao lado de uma GNSS.

18 Dados analisados Um experimento realizado baseou-se em dados de outro experimento de coleta intensiva realizada em Alcântara - MA ( utilizando dois receptores GPS. Um problema a ser resolvido era a disponibilidade de valores de temperatura e pressão junto aos receptores. Enquanto um estava próximo de um radiômetro, o qual possui sensores meteorológicos de temperatura, pressão e umidade, o outro tinha duas opções: uma estação automática de número 3573, localizada a poucos metros de distância, pertencente à rede do INPE, e assim denominada, e uma estação automática da força aérea, denominada Radar, a qual estava distante aproximadamente km.

19 Dados analisados Figura 5: Localização do experimento em Alcântara-MA, Brasil Fonte: Figura 6: Localização das estações meteorológicas do experimento Fonte:

20 Dados analisados Estação Radiômetro: adotada como referência para que fosse possível a comparação entre as estações Radar e INPE, já que os dados das estações Radar e Radiômetro comportavam-se de maneira semelhante nas séries temporais, tanto de pressão quanto de temperatura. Estação Radar: intitulada parâmetro de comparação para as outras, por ser uma estação meteorológica fixa e de taxa de amostragem grande com coletas de 1 minuto enquanto que as estações INPE e Radiômetro apresentavam as taxas 3 horas e 6 minutos respectivamente.

21 Dados analisados Os dados dessas estações foram comparados a fim de avaliar o impacto no IWV-GPS.

22 Dados analisados Após a verificação de sua consistência, a estação de número 3573 no sitio do INPE, apesar de apresentar bons resultados quanto a temperatura, não seria indicada para uso de coleta de pressão. Fato que se dá por ser uma estação com baixa taxa de amostragem, e que pode apresentar falhas técnicas.

23 Agradecimentos