ESTUDO DA SENSIBILIDADE Á EMISSIVIDADE NOS CANAIS DO HSB
Este capítulo apresenta um estudo teórico da influência da emissividade da superfície e o IWV nos canais de microondas do sensor HSB. Para tal foi utilizado o modelo de transferência radiativa RTTOV-7 para realização de diversas simulações em situações de céu claro.
5.1 – Introdução
A compreensão das interações entre radiação, e a superfície e a atmosfera é de grande importância na pesquisa do tempo e clima. Para um bom entendimento dessas interações é necessário o conhecimento das propriedades físicas da atmosfera (por exemplo, às nuvens, vapor d’água, concentração de gases) e da superfície (como emissividade, tipo de solo, vegetação, topografia).
Para a descrição remota da superfície e da atmosfera é necessário resolver a equação de transferência radiativa onde um dos principais parâmetros é a emissividade da superfície. Muller et al. (1994) estudaram os efeitos do vapor d’água, água líquida das nuvens , gelo e emissividade nos canais de umidade do AMSU. Eles mostraram que diferenças na emissividade da superfície podem ter uma influência significativa sobre as temperaturas de brilho dos canais na janela atmosférica. Por exemplo, a temperatura de brilho na banda de 23,8 GHz aumenta cerca de 20 K com o aumento de 0,1 da emissividade. Outras características observadas por eles foram influência baixa ou nula das mudanças da emissividade da superfície nas temperaturas de brilho dos canais de 176 e 182 GHz, em contraste com o que acontece às temperaturas de brilho dos canais de 23,8 e 89 GHz, largamente afetadas por essas mudanças.
Um importante uso da emissividade da superfície está no monitoramento da temperatura da superfície. Prigent et al. (1997) estimaram a emissividade da superfície continental sobre as regiões da África, grande parte da Europa e oeste da Ásia. Nesse estudo os autores utilizaram as temperaturas de brilho do sensor SSM/I e a equação de transferência radiativa. Os resultados obtidos indicam a influência da topografia, cobertura de neve, umidade do solo e da vegetação na estimativa da emissividade da superfície. Resultados similares foram encontrados por Bastos et al. (2000), que estimaram a emissividade da superfície e padrões de rugosidade da superfície (topografia) sobre o Brasil utilizando as temperaturas de brilho dos canais de 19 e 85 GHz do sensor SSM/I. Eles mostraram que a estimativa da emissividade da superfície continental em microondas permite monitorar a superfície terrestre (vegetação, desmatamento, desertificação e outros fenômenos), pois a emissividade é fortemente influenciada pela mudança de textura, composição e teor de umidade do solo.
Os valores da emissividade variam de acordo com as características físicas da superfície, geometria de visada e da região espectral de detecção. Na faixa de microondas, alguns autores utilizam o valor da emissividade entre de 0,4 e 0,7 para superfícies oceânicas, e entre 0,9 e 0,95 para superfícies continentais (Isaacs e Deblode 1987; Grody 1988; Muller et al. 1994; Rosenkranz 2001). Diversos estudos têm destacado a importância da emissividade da superfície continental, tanto para calibrar sensores que estão a bordo dos saté lites, como para auxiliar o desenvolvimento de novos sensores a serem la nçados (Burns et al. 1997; Muller et al. 1994). Este capítulo se situa neste contexto com o objetivo de mostrar a influência dos diferentes valores da emissividade da superfície nas temperaturas de brilho simuladas dos canais de 150, 183 ± 1, 183 ±3 e 183 ± 7 GHz do sensor HSB, utilizando o RTTOV-7, para céu claro em diferentes condições atmosféricas. Foram realizadas análises das simulações para diferentes valores de emissividade da superfície utilizando o perfil tropical padrão de temperatura e diversos perfis de umidade
5.2 – A Análise
Numa primeira etapa foram utilizados como dados de entradas do modelo RTTOV-7 o perfil tropical padrão de temperatura e umidade, e a emissividade da superfície, na faixa de 0 a 1, variando com um incremento de 0,1. Em uma etapa posterior foi utilizada a mesma faixa e incremento da emissividade e o mesmo perfil de temperatura, porém, com diferentes perfis de umidade derivados do perfil padrão tropical.
Um banco de perfis de umidade, baseados no perfil padrão tropical, foram criados para gerar perfis com conteúdo de vapor d’água integrado da atmosfera (IWV – Integrated Water Vapor) numa faixa de 0 a 80 kg/m2, com incremento de 5 kg/m2. Esses perfis de umidades foram gerados de acordo com a seguinte equação: k p z P U z U( )= ( ) (5.1)
Nessa equação, U(z) é o novo perfil de umidade gerado, Up(z) é o perfil de umidade padrão tropical, z é o nível de pressão, Pk é o peso para cada perfil e k é o número de perfis criados.
O peso Pk é determinado pela razão entre o IWVd desejado e o IWV do perfil padrão, ou seja :
IWV IWV
P d
k = (5.2)
Para o calculo do IWV utilizou-se a Equação (5.3), que integra a umidade absoluta do vapor d’água (ρw) desde a superfície (ho), até a altitude em que exista presença do vapor d’água (h), em uma coluna de ar de seção transversal unitária (Vianello & Alves, 1991), ou seja:
dh IWV h h w
∫
= 0 ρ (5.3)A tabela 5.1 ilustra os valores de IWVd e Pk escolhidos para a geração do banco de perfis de umidade. O valor do IWV da atmosfera padrão é de 52 kg/m2.
TABELA 5.1 – Valores de IWVd e Pk Utilizados Para Obter os Novos Perfis de Umidade, a Partir do Perfil Tropical Padrão.
IWVd(kg/m2) Pk IWVd(kg/m2) Pk 1 0,0192 45 0,8653 5 0,0962 50 0,9615 10 0,1923 55 1,0577 15 0,2885 60 1,1538 20 0,3846 65 1,2500 25 0,4808 70 1,3462 30 0,5769 75 1,4423 35 0,6731 80 1,5385 40 0,7692 85 1,6346
Estes perfis de umidade são apresentados na Figura 5.1, juntamente com o perfil padrão tropical de umidade. As legendas de iwv_##, indicam os valores do IWV para cada perfil de umidade calculado.
Perfis de Umidade 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 Umidade (Kg/Kg) Pressão (HPa) iwv_trop iwv_1 iwv_5 iwv_10 iwv_15 iwv_20 iwv_25 iwv_30 iwv_35 iwv_40 iwv_45 iwv_50 iwv_55 iwv_60 iwv_65 iwv_70 iwv_75 iwv_80 iwv_85
FIGURA 5.1 – Perfis teóricos de umidade específica, obtidos a partir do perfil padrão tropical de umidade.
5. 3 – Resultados
Esta seção descreve os efeitos da mudança da emissividade da superfície na radiação que chega no topo da atmosfera. As simulações foram realizadas para situações de céu claro, com perfis de temperatura da atmosfera padrão tropical e os perfis de umidade do banco de perfis descrito acima. As emissividades da superfície utilizadas nestas simulações cobrem a faixa de 0 a 1, com incremento de 0,1. A Figura 5.2 apresenta a resposta das temperaturas de brilho (TB) simuladas dos canais do sensor HSB com a mudança da emissividade da superfície, para atmosfera tropical padrão. Os canais de 150, 183 ± 1, 183 ± 3 e 183 ± 7 GHz do sensor foram nomeados no gráfico como TB_1, TB_2, TB_3 e TB_4, respectivamente.
250 255 260 265 270 275 280 285 290 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 emissividade temperatura (K) 250 255 260 265 270 275 280 285 290 TB_1 TB_3 TB_4 TB_2
FIGURA 5.2 – Gráfico da TB(K) em função da emissividade da superfície para céu claro e atmosfera tropical padrão. As curvas de TB_1 a TB_4 correspondem aos canais 150, 183 ± 1, 183 ± 3 e 183 ± 7 GHz, respectivamente.
O canal de 150 é significativamente afetado pelas variações da emissividade da superfície. Por exemplo, a TB do canal de 150 tem uma variação em torno de 15 K, enquanto os canais de 183 praticamente não tiveram nenhuma variação para uma atmosfera tropical padrão. Esse resultado é consistente com os obtidos por Muller et al. (1994). A Figura 5.3 apresenta a temperatura de brilho em função da emissividade da superfície para diferentes perfis de umidade e perfil tropical de temperatura.
Para o canal de 150 GHz, observa -se que o efeito da emissividade na TB se reduz à medida que o conteúdo integrado de vapor d’água da atmosfera aumenta (figura 5.3a). Isso ocorre porque o canal de 150 é um canal na janela atmosférica, mas contaminado pelo vapor d’água. Na Figura 5.3a observa-se que para valores de emissividade em torno daquele da emissividade do oceano (~ 0,6) há uma variação bastante expressiva da temperatura de brilho com o
conteúdo de vapor d’água (~ 100 K), enquanto que para valores de emissividade próximos ao da superfície continental (~ 0,9) a variação da TB (~ 15 K) é cerca de 6,6 vezes menor do que para uma superfície oceânica.
Esses resultados mostram que a variação da temperatura de brilho é menor para superfícies continentais do que para oceânicas. A emissividade da superfície oceânica é, porém, bem mais homogênea do que a emissividade continental. Nota-se também na figura 5.3a que para valores de emissividade em torno de 0,94 praticamente não se nota variação da TB no canal 150 para qualquer valor de IWV.
Para os canais de absorção do vapor d’água (183 GHz), a mudança da emissividade praticamente não influência as TB no topo da atmosfera, fazendo-o apenas em situações extremas (figura 5.3 (b), (c) e (d)). Resultadfazendo-os parecidos foram obtidos por Muller et al. (1994). Por exemplo, as figuras 5.3 (b) e (c) mostram que a TB dos canais 183 ± 1 e 183 ± 3 só são afetadas pela variação da emissividade nos casos em que o IWV é inferior a 5 kg/m2. Já para o canal de 183 ± 7 esse limiar aumenta para 10 kg/m2, ainda é um valor pequeno em relação aos valores encontrados na região tropical. Essa característica dos canais de 183 de não responderem às variações da emissividade da superfície é devida a sua alta sensibilidade ao vapor d’água atmosférico. Canal de 150 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 emissividade temperatura (K) iwv_0 iwv_1 iwv_5 iwv_10 iwv_15 iwv_20 iwv_25 iwv_30 iwv_35 iwv_40 iwv_45 iwv_50 iwv_55 iwv_60 iwv_65 iwv_70 iwv_75 iwv_80 iwv_85 Canal de 183 ± 1 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 emissividade temperatura (K) iwv_0 iwv_1 iwv_5 iwv_10 iwv_15 iwv_20 iwv_25 iwv_30 iwv_35 iwv_40 iwv_45 iwv_50 iwv_55 iwv_60 iwv_65 iwv_70 iwv_75 iwv_80 iwv_85
(a) (b)
Canal de 183 ± 3 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 emissividade temperatura (K) Canal de 183 ± 7 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 emissividade temperatura (K)
FIGURA 5.3 – Gráficos das TB(K) em função da emissividade da superfície para (a) o canal de 150; (b) 183 ± 1; (c) 183 ± 3; (d) e 183 ± 7 GHz. As curvas de IWV_0 a IWV_85 correspondem as valores de IWV utilizados para simulação.
A Figura 5.4 apresenta a relação entre a TB e o conteúdo de vapor d’água integrado, para diferentes emissividades. Para valores de emissividades inferiores a 0,8 a temperatura de brilho do canal de 150 GHz (figura 5.4a), é mais sensível ao vapor d’água do que para os canais em 183 GHz,. Observa-se também, que a medida que o conteúdo de vapor d’água aumenta a temperatura de brilho do canal de 150 GHz aumenta, ao contrario do que ocorre com as temperaturas de brilho dos canais de 183 GHz (figura 5.4b, c e d). De acordo com a equação de transferência radiativa, descrita no Capítulo 3, esse fato se deve ao canal de 150 GHz, ser um canal de janela contaminado por vapor, aumentando a contribuição de radiação na atmosfera com o aumento do vapor d’água, além da quantidade emitida na superfície. Entretanto, para os canais de 183 GHz, grande parte da contribuição da superfície, ou seu total, é fortemente absorvida pelo vapor d’água das camadas superiores reemitindo essa radiação em temperaturas mais frias.
Canal de 150 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 IWV (mm) temperatura (K) emiss_0 emiss_01 emiss_02 emiss_03 emiss_04 emiss_05 emiss_06 emiss_07 emiss_08 emiss_09 emiss_1 Canal de 183 ± 1 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 IWV (mm) temperatura (K) emiss_0 emiss_01 emiss_02 emiss_03 emiss_04 emiss_05 emiss_06 emiss_07 emiss_08 emiss_09 emiss_1 Canal de 183 ± 3 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 10 20 30 4 0 50 60 70 80 90 IWV (mm) temperatura (K) Canal de 183 ± 7 GHz 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 IWV (mm) temperatura (K)
FIGURA 5.4 - Gráfico de TB (K) em função do conteúdo de vapor d’água para (a) o canal de 150; (b) canal de 183 ± 1; (c) canal de 183 ± 3; (d) e canal de 183 ± 7 GHz. As curvas de Tb são para diferentes emissividades da superfície.
Se considerarmos um erro natural de 1 K na determinação da temperatura de brilho podemos obter os limiares de IWV a partir da Figura 5.4 para os canais de 150, 183± 1, ±3 e ±7 GHz, sobre os quais a emissividade da superfície não tem mais efeito. Esses limiares são apresentados na Tabela 5.2.
(a) (b)
(d)
(c)
TABELA 5.2 – Limiares do Conteúdo de Vapor D’água Integrado na Atmosfera, Para o Qual o Efeito da Emissividade da Superficie nos Canais do HSB Passa a Ser Desprezivel.
CANAIS (GHz)
150 183 ± 1 183 ±3 183 ± 7
> 80(kg/m2) > 5(kg/m2) > 10(kg/m2) > 20(kg/m2) Aplicando esses limiares em regiões extremas do Brasil com Brasília, Porto Alegre, Manaus e Natal que apresentam médias climatológicas de IWV de respectivamente 27, 26, 48 e 38 kg/m2 vamos observar que para todas essas regiões é possível uti lizar os canais na faixa de 183 GHz sem a preocupação do valor exato da emissividade da superfície. Para o uso, no entanto, do canal de 150 GHz em qualquer dessas regiões é de muita importância o valor da emissividade o mais próximo do real, principalmente para as regiões com baixos valores de IWV. Esses resultados mostram que os canais na banda de absorção do vapor d’água podem ser utilizados praticamente em todo o Brasil sem restrição da emissividade da superfície.
5.4 – Considerações Finais
Neste capítulo procurou-se detalhar a sensibilidade da atmosfera e da superfície na temperatura de brilho no topo da atmosfera nas freqüências do sondador de umidade HSB. Para tanto, foram realizadas diversas simulações com o modelo de transferência radiativa, RTTOV-7, para diferentes emissividades de superfície e diferentes perfis de umidades.
Os resultados da simulação utilizando os perfis de umidade e temperatura tropical padrão mostram que a emissividade da superfície afeta significativamente o canal de 150 GHz, por outro lado, não afeta os canais de 183 GHz. Os resultados obtidos para diferentes conteúdos de vapor d’água mostram que podemos determinar limiares de valores de IWV que eliminam o
efeito da emissividade da superfície sobre os canais do sensor HSB. Para os canais de 150, 183 ±1, ±3 e ± 7 foram obtidos limiares de 80, 5, 10 e 20 kg/m2, respectivamente. Comparações realizadas com os IWV climatológico de regiões extremas do Brasil mostraram que é possível em quase todo o território brasileiro utilizar os canais do HSB, com exceção do canal de 150 GHz, sem a preocupação de ter uma boa precisão na estimativa da emissividade, uma grande vilã nos cálculos de modelos radiativos. Para o canal de 150 GHz a emissividade da superfície passará a influenciar menos só quando for muito elevada. Os resultados aqui apresentados são importantes para interpretar fisicamente as temperaturas de brilho, não só do sensor HSB, mas em toda essa faixa das microondas.