Recuperação do Campo de Vento a partir de Radar
Meteorológico Doppler utilizando a técnica VAP
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Leonardo Calvetti, 1Cesar Beneti e 1André Luis dos Santos e 2Rogil Escuciatto
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Instituto Tecnológico SIMEPAR Centro Politécnico da UFPR Curitiba -PR
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COPEL Distribuição - Ro e-mail autor: leonardo@simepar.br
RESUMO
O monitoramento do vento é um desafio para as redes de estações meteorológicas locais e de mesoescala devido a complexidade da medição da intensidade e direção e da grande variabilidade espacial do vento. Há uma infinidade de situações da impossibilidade de registro de rajadas de vento em eventos de tempestades, micro explosões, frentes de rajadas e até tornados, mesmo em áreas de densa rede anemométrica. A velocidade radial medida por radar meteorológico Doppler proporciona alta resolução espacial, mas o vento tangente ao feixe emitido pelo radar não é medido e a simples transformação de coordenadas polares para cartesiana não é suficiente. Neste trabalho, explora-se o uso da técnica VAP (Velocity Azimuth Processing) para recuperação do campo de vento em rotinas operacionais. Os resultados mostram uma boa eficácia do método e similaridade nas medições com a rede anemométrica em superfície para casos de rajadas de vento superiores a 15 ms-1. O campo resultante foi integrado à rede de anemômetros do Paraná para identificação de áreas de rajadas intensas de vento preservando os valores máximos obtidos pela rede de estações meteorológicas. O método pode ser aplicado operacionalmente com relativo baixo custo de processamento obtendo-se pelo menos campos a cada 1 hora com resolução de 2 km x 2km.
ABSTRACT
The wind monitoring is a challenge for the weather services due the complex behavior of the wind. There are an infinity situations with injuries and natural disasters without gust wind registrations because the network density is not efficient even in mesoscale networks. The radial velocity from radar Doppler is a high-resolution measurement of the wind, but the movements tangent to the radar are not obtained directly. In this case, it has been used the wind retrieval methods that gets the wind in Cartesian grids even in tangent echoes to radar. We used the VAP (Velocity Azimuth Method) method which combines three adjacent radar beams in a homogeneous movement hypothesis. The results show an encouraging wind retrieval method for gust detection. For the local comparisons we got a good similarity with anemometers, about 67% of the cases the wind retrieved has 20 % lower or greater than the wind gust detected in the anemometer. Furthermore, the method has low cost of implementation and processing and it can be applied in operational routines at weather services.
1. Introdução
Em todos os sistemas meteorológicos de monitoramento e previsão, o monitoramento do vento é um desafio para as redes de estações meteorológicas locais e de mesoescala devido a complexidade da medição da intensidade e direção e da grande variabilidade espacial do vento. Há uma infinidade de situações da impossibilidade de registro de rajadas de vento em eventos de tempestades, micro explosões, frentes de rajadas e até tornados, mesmo em áreas de densa rede anemométrica. Os radares meteorológicos Doppler possuem medições de três variáveis, todas em coordenadas polares: a refletividade, a velocidade radial e a largura espectral. A velocidade radial corresponde à velocidade que o alvo (hidrometeoro) se aproxima (valores negativos) e se afasta (valores positivos) do sistema de emissão do feixe eletromagnético. Por isso, o alvo que estiver em movimento tangente ao feixe eletromagnético
emitido pelo radar não poderá ser detectado. A simples transformação de coordenadas polares para cartesiana não é suficiente para estimar o valor tangente. Assim, introduziu-se técnicas de recuperação do campo do vento, ou seja, métodos que estimam o vento a partir de valores radiais para todas as áreas inclusive nas tangentes ao feixe (Calvetti 2002, Rinehart, 1999). Em geral, a recuperação gera campos em coordenadas cartesianas para facilitar a plotagem ou para assimilação em modelos numéricos.
Neste projeto foram realizados testes com técnicas que utilizam feixes próximos, por correlação de padrões e assimilação em modelo numérico. Apenas a técnica mais eficiente, a VAP (Velocity Azimuth Processing, Zhou & Stull,2005 e Liang 2007) foi descrita neste trabalho.
2. Dados e Metodologia
O radar meteorológico Doppler do SIMEPAR, instalado no município de Teixeira Soares, é utilizado desde 1997 para o monitoramento das regiões leste, central e sul do PR com alcance de 200 km e 14 elevações. O monitoramento com 1 elevação e alcance de 480 km é usado para vigilância e cobre todo o Paraná e parte dos estados vizinhos (figura 1 e 2). O radar está em operação ininterrupta com varreduras em 360 graus. No alcance de 200 km são 14 elevações a cada 7 minutos e em 480 km de alcance uma elevação para monitoramento qualitativo a grandes distâncias. O radar é banda S, comprimento de onda de 10 cm, o feixe tem abertura de 1 grau e utiliza dupla PRF para obter maior amplitude na estimativa da velocidade radial do vento. As variáveis medidas são: refletividade, velocidade radial e largura espectral.
Figura 1: Radar Meteorológico do SIMEPAR localizado em Teixeira Soares, município da região Central do Paraná. A antena possui diâmetro de 8 metros.
Figura 2: Área de cobertura do Radar no modo quantitativo com 200km de raio (círculo azul), rede de estação meteorológicas e hidrológicas do SIMEPAR. A área em laranja representa a parte inicial (montante) da bacia do Rio Iguaçu.
A técnica de recuperação do campo de vento foi a VAP (Velocity Azimuth Processing - processamento azimutal de velocidade, Zhou & Stull 2005 e Liang, 2007). A técnica estima os vetores de vento com base na hipótese de uniformidade local do campo de vento e a relação direta da velocidade radial Doppler para o vetor vento horizontal. Assume-se que as componentes dos vetores de vento horizontais de três azimutes consecutivos são uniformes.
A velocidade radial Doppler C pode ser relacionada com o vetor de vento horizontal através da equação:
C=usinθ +vcosθ (1) Onde C é positivo (negativo) se o hidrometeoro está se aproximando (afastando) em relação ao radar, u e v são os componentes para o norte e leste, respectivamente, e θ é o ângulo do azimute no sentido horário a partir do norte.
Figura 3: Representação de três feixes do radar (A, B,O) e seus respectivos azimutes. O vértice corresponde à localização do radar. Assume-se uniformidade do escoamento para cada varredura.
Dados 3 pontos O, A e B a uma mesma distância do radar (figura 3) denota-se θ como o ângulo azimutal no ponto O no sistema de coordenadas polares e φ a resolução do azimute. Considerando CA e CB como as velocidades radias nos azimutes θ - φ e θ + φ medidas pelo radar nos pontos A e B, respectivamente, elas podem ser expressas por :
) cos( ) sin(θ −φ + θ −φ =u v CA (2) ) cos( ) sin(θ +φ + θ +φ =u v CB (3) Assumindo que nestes dois azimutes os componentes dos vetores são uniformes, pode-se obter u e v a partir das equações (2) e (3):
/ 2 sin( ) cos( ) cos( φ φ θ φ θ − + + = CB CA u (4) / 2 sin( ) sin( ) sin( φ φ θ φ θ + + − = CA CA v (5)
Implementação: Os dados provenientes do radar são obtidos em coordenadas polares com um raio de 200 Km, 360 azimutes de 1 grau e 800 bins, ou seja, uma medição a cada 250 metros. Portanto, a matriz de dados em coordenadas polares possui 800 linhas por 360 colunas. Separam-se outras duas matrizes a partir da técnica VAP com os componentes u
e v. Por fim, obtidas estas matrizes faz a transformação para coordenadas cartesianas com uma resolução de 1Km x 1Km.
3. Resultados
A recuperação do vento foi obtida com sucesso para uma série de casos. Na avaliação pontual com o anemômetro 67 % dos casos o valor foi similar, ou seja, estiveram 20 % maior ou menor que o valor na estação meteorológica. Considerando que o feixe do radar é curvo em função da refração da atmosfera e não mede exatamente a 10 m onde está instalado o anemômetro, o valor é satisfatório para a maioria das aplicações.
A comparação com a própria velocidade radial e o campo interpolado do vento (figura 4) observa-se a coerência dos campos e na direção do escoamento e nas rajadas em áreas de tempestades. Embora seja difícil a avaliação nas áreas de frentes de rajadas, pode-se analisar de forma qualitativa a disposição das rajadas em função da posição das tempestades.
Figura 4: Velocidade Radial (a), Refletividade (b), velocidade do vento integrada (c) e vento recuperado (d) para 28 de setembro de 2009 às 12 16 UTC.
A recuperação do campo proporciona uma grande melhoria na distribuição espacial das medições de vento, como pode ser visto na figura 4. Além disso, as rajadas de vento podem ser estimadas em áreas onde não há medições de vento por anemômetros. Os valores obtidos pelos anemômetros não indicam rajadas acima de 15 ms-1, porém pela imagem observam-se rajadas na área leste do Paraná acima de 20 ms-1. Na imagem de refletividade verifica-se a presença de convecção em toda a região leste.
A partir do campo recuperado do vento a partir do radar e com a rede de anemômetros é possível gerar um campo integrado. Como o objetivo inicial do projeto era a identificação de rajadas, optou-se por utilizar o valor máximo em cada ponto de grade e construir um campo
de valores máximos. Desta forma, elimina-se a possibilidade de suavizar alguma rajada medida pelo anemômetro ou estimada pela recuperação. A interpolação dos anemômetros em grade regular foi realizada pelo método NatGrid disponível no pacote PyNgl do NCAR.
Figura 5: Velocidade do vento recuperada por radar (a), interpolação do vento medido pelos anemômetros – o valor numérico corresponde a velocidade na estação meteorológica e (c ) o campo integrado do vento recuperado com os dados dos anemômetros. O campo de vento corresponde a medições as 12 16 UTC do dia 28 de setembro de 2009.
4.
s-1) para confecção de laudos e estudos de perícia nas diversas atividades sócio-econômicas.
Tempestades nas Redes de Distribuição da COPEL” patrocinado pela COPEL Distribuição.
Cal
Depto. de Ciências Conclusões
A recuperação do campo vento com a técnica VAP mostrou que é possível utilizar uma metodologia operacional para estimativa do vento a partir de dados de radar Doppler. Pela sua propriedade estatística de variável discreta, a medição do vento possui uma complexidade maior que outras variáveis como a temperatura e, portanto, com grande variabilidade espacial. Aumentando a resolução espacial para pelo menos 2 km x 2 km, as estimativas por sensoriamento remoto demonstram ser uma ótima ferramenta para auxílio no monitoramente e previsão de curtíssimo prazo. Além disso, a recuperação do campo do vento proporciona a identificação de áreas de ventos fortes (acima de 15 m
5. Agradecimentos
Este artigo foi realizado pelo SIMEPAR com o apoio financeiro do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento do programa P&D/ANEEL intitulado “Recuperação do Vento 3D com Radar Meteorológico para Análise e Previsão de
6. Referências Bibliográficas
vetti, L. 2002: Recuperação 3D do vento a partir das medições de vento radial e refletividade dos radares meteorológicos S-POL e Toga durante o experimento WET AMC/LBA. Dissertação de Mestrado em Meteorologia pelo
Atmosféricos da USP. Orientador: Prof. Augusto José Pereira Filho.
Liang, Xudong, 2007: An Integrating Velocity-Azimuth Process Single-Doppler Radar Wind Restriveal Method. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Vol 24. p. 658-665. Rinehart, R.E.: 1999. Radar for Meteorologists. 3ª Ed. Knight Printing, 428 p.
Zheng, Y., S.Liu, J. Bai, and Z. Tao, 2003: Verification of wind field retrieval of Doppler radar velocity-azimuth processing method. 32th Conference on Radar Meteorology, 1, 337-340.
u,Y., Stull, R., 2005: Single-Doppler radar wind-field retrieval experiment on a quali velocity-azimuth processing technique, 9th Symposium on Integrated Observing and
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