SISTEMA INTEGRADO DE ANÁLISE E VISUALIZAÇÃO DE DADOS DE RADAR
METEOROLÓGICO DOPPLER
Leonardo Calvetti Cesar Beneti Cicero Zandoná Instituto Tecnológico SIMEPAR
Caixa Postal 19100 –Curitiba – PR – CEP 81.531-990
E-mails: leonardo@simepar.br, beneti@simepar.br , cicero@simepar.br
ABSTRACT
This paper presents JVisRad, an integrated system for analysis, management and visualization of Doppler Radar data. JVisRrad manipulates various radar products such as radar reflectivity, radial velocity and other products. The historical data stored in Simepar database system can be retrieved by a user connected through the Internet and then used for analysis of radar data, generate other products and integrated with other meteorological information. The chosen programming language was Java as it offers real portability to several operating systems. This application also provides integration with lighting and rain gauge information.
1. INTRODUÇÃO
Os dados medidos por radar meteorológico são imprescindíveis para o monitoramento e previsão do tempo bem como na prevenção de desastres naturais e já começam a ser utilizados em modelos numéricos de previsão de tempo e modelos hidrológicos. Radares meteorológicos Doppler disponibilizam as variáveis refletividade, velocidade radial do vento e largura espectral. A partir dessas três variável, em diferentes formas de visualização (PPI, CAPPI, RHI) ou aplicando alguns algoritmos, pode-se obter uma grande variedade de produtos como água líquida integrada verticalmente (VIL), topo e base de nuvens (ETOPS e BASE) e o campo de precipitação estimada. Para atender as necessidades específicas do diversificado público alvo composto por setores de energia elétrica, agricultura, defesa civil, controle de enchentes e ainda atender as exigências científicas de previsores de tempo e da comunidade científica fez-se imprescindível o desenvolvimento de um software para análise, visualização e gerenciamento de dados e produtos obtidos por meio das medições de radares meteorológicos.
O objetivo deste trabalho e apresentar o novo sistema de processamento e gerenciamento de variáveis de radar integradas com dados de descargas atmosféricas e estações telemétricas meteorológicas e hidrológicas denominado Sistema Integrado de Análise e Visualização de Dados Medidos por Radar Meteorológico – JVisRad.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O JVisRad foi totalmente desenvolvido em linguagem Java permitindo sua aplicação independentemente da plataforma computacional utilizada, necessitando apenas a identificação do sistema de armazenamento e medição dos dados de radar e dos algoritmos de geração de produtos. O JVisRad também utiliza classes e bibliotecas de visualização VISAD ("Visualization for Algorithm Development” ) permitindo um melhor desempenho gráfico e versatilidade no manuseio dos campos meteorológicos.
Atualmente, o sistema foi testado em 3 plataformas diferentes: Windows, Irix (Silicon Graphics) e Linux (Mandrake 8.1 rodando com processador Pentium IV), mostrando eficiência satisfatória na parte gráfica e na consulta ao banco de dados Oracle do SIMEPAR.
Operacionalmente, o JVisRad trabalha em três estágios:
1) Medição e armazenando pelo sistema de aquisição do radar (sistema EDGE da EEC Corporation) dos dados de refletividade, velocidade radial do vento e largura espectral nos dois modos de medições (Tab. 2)
2) Assim que os dados são gerados, o JVisRad armazena informações referentes a estes volumes no banco de dados do Simepar.
3) O terceiro é executada no computador do usuário (cliente), que pode consultar o banco de dados através do servidor via TCP/IP solicitando os produtos e dados de radar e raios criando a apropriada visualização.
A seqüência de operação do JVisRad inicia-se com as medições pelo radar em um determinado intervalo de tempo, conforme o modo de medição, armazenando todas as informações brutas do volume em um arquivo. Cada arquivo é imediatamente enviado via ondas de rádio ao SIMEPAR, onde é armazenado. Neste momento o JVisRad registra no banco de dados as informações referentes a este volume, como data, alcance, elevações, etc. Simultaneamente o sistema disponibiliza sempre as últimas informações a partir de produtos previamente selecionados pelo usuário para visualização necessário para o monitoramento e previsão do tempo.
Caso o usuário deseje informações e produtos de um determinado horário, ele poderá, através do JVisRad, consultar o banco de dados em busca dos volumes. Então, a partir dos volumes escolhidos, o usuário poderá solicitar a geração de um ou mais produtos deixando-os disponíveis para visualização imediata através do modo de navegação como pode ser observado na Fig. (2).
Outra vantagem do sistema é a possibilidade de armazenar os produtos em formas de matrizes cartesianas para serem utilizadas por outras linguagens como C e fortran. Isto possibilita o uso de dados históricos para pesquisa em novos algoritmos para previsão a curto prazo e inserção em modelos numéricos de mesoescala e modelos hidrológicos.
Figura 1 – Esquema de funcionamento do JVisRad: Os volumes de radar com informações de dados de refletividade, velocidade radial do vento e largura espectral medidos pelo radar são armazenados no banco de dados do SIMEPAR enquanto as informações são simultaneamente cadastradas no banco de dados. A partir da interface do JVisRad, o usuário pode solicitar os produtos desejados disponibilizando-os para a imediata visualização.
Figura 2 – Janela para selecionar o produto desejado escolhendo a data. No exemplo, o produto escolhido é o campo de refletividade em CAPPI a 3 km no dia 01/03/2002 às 22:00 UTC no range de 240km.
2.1. Radar Meteorológico Doppler do SIMEPAR
Atualmente o SIMEPAR tem em operação um radar meteorológico Banda-S, Doppler, modelo DWSR-95S/EDGE, da Enterprise Electronic Corporation (EEC), instalado na região central do Paraná (município de Teixeira Soares), e em operação desde 1998. A cobertura qualitativa deste radar tem raio de 480km e abrange todo o Paraná, Santa Catarina, parte do sul de São Paulo e norte do Rio Grande do Sul. A área quantitativa (com medidas de precipitação e vento) é de 240km de raio, cobrindo todo o centro e leste do Paraná, conforme mostra a Fig. (2).
As características técnicas do radar e do sistema de coleta e processamento dos dados deste radar foram apresentadas em detalhes por Beneti et al. (1998). A Tab. (1) abaixo apresenta um resumo das características técnicas. Atualmente o sistema de aquisição dos dados está configurado de tal forma a permitir a definição de rotinas de medições de dados que apresentem alta resolução espacial (área mínima de 1km2) e temporal (com atualização de 5 a 10 minutos) das informações de precipitação e vento radial.
Tabela 1: Características técnicas do radar DWSR-93S/EDGE do SIMEPAR. Frequência de Operação 2,7 a 2,9GHz
Potência de Pico (mínimo) 850kW
Largura de Pulso 0,8 e 2,0 µs
Freq. de Repetição de Pulso 250Hz a 934Hz
Polarização Linear horizontal (possib. dual)
Ganho da Antena 45dB nominal
Largura do feixe 0,9o
Lóbulos secundários 23db abaixo do lóbulo principal MDS – Mínimo Sinal Detectável -111dBm
O radar do SIMEPAR possui uma estratégia de medições (Tabela 2) com dois modos conforme a situação atmosférica atuante na área de cobertura. O Modo Chuva serve para realizar medidas com boa precisão da área com raio de 240km executando 12 elevações a partir da superfície e resolução temporal de 10 minutos. Esse modo permite a visualização em diversos níveis de altitude para identificação da estrutura dinâmica dos sistemas de mesoescala, sendo armazenados
para pesquisa e desenvolvimento de novos produtos como a estimativa de precipitação, correções da relação Z-R e estudos de casos de sistemas de mesoescala.
Tabela 2 – Estratégia das medições do Radar Meteorológico Doppler do SIMEPAR Modo Chuva Para condições de chuva na área de cobertura de medição do radar.
O radar é programado para fazer uma varredura com um range de 480 km para um a elevação de 0 grau e varredura com range de 240 km para cada uma das 12 elevações. Essas varreduras são efetuadas em um intervalo de 10 minutos
Modo Vigilância Para condições de céu claro. O radar é programado para executar uma varredura com range de 480 km à elevação de 0 grau a cada 30 minutos.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Através do JVisRad o usuário poderá gerar e visualizar dados atualizados e históricos das variáveis primárias (refletividade, velocidade radial do vento e largura espectral) nos três modos de visualização (PPI,CAPPI e Seção Vertical). O usuário poderá escolher diversos produtos gerados pelos dados de radar, estações meteorológicas e de descargas atmosféricas configurando a tela de visualização conforme suas necessidades seja por regiões, por aproximação, divisões como linhas de transmissão de energia elétrica, rios, estradas e futuramente topografia.
A seguir são descritas as 3 variáveis medidas pelo radar Doppler, seus modos de visualização e os produtos que poderão ser obtidos a partir dessas variáveis.
3.1. Variáveis Primárias
Refletividade (Z):Fator da refletividade entre a irradiância emitida pelo radar e a recebida por ele depois de retroespalhadas pelos hidrometeoros presentes na atmosfera.
A unidade utilizada é o dBZ, que é uma escala logarítmica da refletividade. Os valores variam de zero e 60 dBZ e quanto maior forem esses valores, maior serão os diâmetros das gotas presentes no volume medido e, consequentemente, maior será a intensidade de precipitação.
Velocidade Radial (Vr):Velocidade de aproximação ou afastamento dos alvos (hidrometeoros) em relação ao radar na direção do feixe. O vento radial é mostrado em m/s com valores positivos para os alvos que se afastam e valores negativos para os alvos que se aproximam do radar.
Largura Espectral (W): Desvio padrão das medidas obtidas em cada amostra (pixel)e, meteorologicamente, indica a turbulência nesse volume conforme a variância dos alvos presentes.
3.2. Modos de Visualização
PPI - A variável é plotada num plano onde o centro indica a posição do radar. O plano é fixo para um determinado ângulo de elevação, portanto deve-se observar que conforme aumenta a distância em relação ao radar a altitude também aumenta.
CAPPI - Visualização de uma variável à uma elevação constante, ou seja em um plano paralelo à superfície terrestre. Ao contrário do PPI, em uma imagem de CAPPI à qualquer distância do radar os pontos estarão na mesma altura. Seção Vertical (RHI) - Seção vertical de uma variável para um azimute fixo e várias elevações. Desta forma podem-se visualizar e acompanhar o desenvolvimento e os diferentes estágios das células de precipitação.
VISUALIZAÇÃO 3D – A nova versão do JvisRad conterá a visualização tridimensional dos dados que tiverem vários níveis de altitude como refletividade, vetor vento, água líquida na nuvem, topografia, etc..
3.3. Produtos
VIL: Integração vertical desde o ângulo elevacional mais baixo até o mais alto toda a água líquida em kg/m2 convertida a partir da Refletividade Z pela relação ZR para cada ponto de grade.
BASE e ETOPS: O produto BASE é a altitude mais baixa que um valor de refletividade diferente de zero é detectado para um determinado volume. Ao contrário do BASE, o ETOPS é a altura máxima para cada ponto que o algoritmo encontra acima de um determinado valor. O BASE mostra a intensidade da precipitação na base da nuvem e o ETOPS indica o topo da nuvem, caracterizando assim o estágio de desenvolvimento da célula.
VECTOR: Calcula o campo de precipitação estimada até 3 horas por meio das velocidades de advecção dos sistemas precipitantes (Bellon e Austin,1978). Essas velocidades são obtidas pelo vetor deslocamento entre dois campos defasados temporalmente.
TRACK: Este algoritmo, baseado em Dixon e Wiener (1993) identifica as células precipitantes a partir dos dados de refletividade medidos por radar meteorológico e suas respectivas trajetórias em função do tempo.
Descargas Atmosféricas: apresenta o local da incidência das descargas elétrica atmosféricas medidos pelos sensores do SIMEPAR (Beneti e Vasconcellos, 2002) nos últimos minutos em que foram realizadas as medições do produto de radar selecionado .
A Fig. (3) contém uma janela do JVisRad com a visualização do campo de refletividade em CAPPI a 3km de altitude, com um range de 240 e PRF de 620 Hz, juntamente com os dados de raios incidentes nos últimos 10 minutos para o dia 06 de junho de 2001 às 10:33 UTC. Esta figura é um exemplo de visualização e pode-se acrescentar todas as cidades do Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul e, ainda, personalizá-las conforme as necessidades, além de incluir as suas divisões geográficas. O JVisRad permite que se faça um “zoom” até o tamanho do pixel.
O campo de velocidade radial com as mesmas características de visualização da Fig. (3) é mostrado na Fig. (4).
Os dados de estações telemétricas, informações obtidas por satélites meteorológicos também serão, em breve, acoplados ao sistema de visualização.
Também, através do JVisRad, pretende-se visualizar e gerenciar os campos de precipitação estimados por radar e corrigidos por análise objetiva estatística com os dados de pluviômetros para a região metropolitana de Curitiba (Beneti, Calvetti e Pereira, 2002) que será utilizado para previsão e monitormento de inundações na região.
Figura 3 – Campo de refletividade em CAPPI a 3 km no dia 06/06/2001 às 20:33 UTC. O sinal “+” indica a incidência de descarga atmosférica nos últimos 10 minutos. Observa-se na janela da esquerda que diversas dados de refletividade (Z) e velocidade radial do vento (V) estão prontos para serem visualizados imediatamente permitindo o acompanhamento do deslocamento, desenvolvimento e dissipação dos fenômenos meteorológicos.
Figura 4 – Campo de velocidade radial em CAPPI a 3 km no dia 06/06/2001 às 20:33 UTC. Assim como na Fig. 3, observa-se na janela da esquerda que diversos dados de refletividade (Z) e velocidade radial do vento (V) estão prontos para serem visualizados imediatamente permitindo o acompanhamento do deslocamento, desenvolvimento e dissipação dos fenômenos meteorológicos.
4. CONCLUSÕES
Apresenta-se neste trabalho o JVisRad, um sistema integrado de análise, gerenciamento e visualização de dados de radar meteorológico Doppler acoplando com dados de descargas atmosféricas e posteriormente com dados de estações meteorológicas e hidrológicas telemétricas. O JVisRad foi desenvolvido na linguagem Java, eliminando problemas de portabilidade, podendo ser utilizadas em qualquer máquina e plataforma que possua Java, seja Unix, Linux ou Windows. Além disso, o sistema possibilita ao usuário a consulta de dados históricos de radar e gerar diversos campos de variáveis primárias refletividade, componente radial da velocidade do vento e largura espectral ou produtos gerados a partir destas como água líquida integrada verticalmente, topo e base das nuvens, estimativa da precipitação. E, ainda, o sistema possibilita a integração com outras informações como descargas atmosféricas, dados de estações meteorológicas, coordenadas geográficas e divisões municipais de cidades.
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Bellon, A., G. L. Austin, 1978: The Evaluation of Two Years of Real-Time Operation of a Short-Term Precipitation Forecasting Procedure (SHARP). Journal of Applied Meteorology: Vol. 17, No. 12, pp. 1778–1787.
Beneti, C. , Calvetti, L. e Pereira Filho, A.J. 2002:Estimativa da Precipitação por Radar e Pluviômetros na Região Metropolitana de Curitiba - Resultados Preliminares. XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz do Iguaçu-PR
Beneti, C. e Vasconcellos, C. 2002:. SISRAIOS - Um Sistema Interativo de Análise e Visualização de Descargas Elétricas Atmosféricas XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz do Iguaçu-PR
Beneti, C., Nozu, I., Saraiva, E. 1998: Monitoramento da Precipitação e de Eventos de Tempo Severo com Radar Meteorológico no Estado do Paraná. X Congresso Brasileiro de Meteorologia, VII Congresso da FLISMET, Brasília – DF.
Dixon, Michael, Gerry Wiener, 1993: TITAN: Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting—A Radar-based Methodology. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 10, No. 6, pp. 785–797. Eckel, B., 2000: Thinking in Java. Prentice Hall 1127pp
Droegemeier, K.K., Kelleber, K., Crum, T., Levit, J.J., Greco, S.ªD., Miller, L., Sinclair, C., Benner, M., Fulker, D. W, Edmon, H. 2002: Project Craft: a test bed for demonstrating the real time acquisition and archival of WSR-88D Level II Data. Preprints, 18th International Conference on Interactive Information Processing Systems (IIPS) for Meteorology, Oceanography, and Hydrology. 13-17 January 2002, Orlando, FL, American Meteorological Society
The VisAD Java Component Library Developers Guide, disponível na internet: http://www.ssec.wisc.edu/~billh/guide.html
