RADAR METEOROLÓGICO DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS:
ROTINAS DE OPERAÇÃO, GERAÇÃO DE PRODUTOS E TRATAMENTO DIGITAL DE IMAGENS
Jojhy Sakuragi1, Ana Catarina Farah Perrella1, Joice Martelli Parmezani1 Denis Gonçalves Fernandes2
Universidade do Vale do Paraíba - UNIVAP 1Laboratório de Meteorologia e 2UnivapTV
Av. Shishima Hifumi, 2911 – Urbanova – São José dos Campos, SP – CEP 12244-000 (jojhy@univap.br; ana@univap.br; joicemp@bol.com.br; denisfer@yahoo.com)
ABSTRACT
The objective of this paper is to present the operational routine and the image processing procedures developed by the Meteorology Laboratory (Laboratório de Meteorologia - UNIVAP) for the S-band Doppler radar of São José dos Campos-SP, Brazil. These are being used for nowcasting, alerting, and monitoring severe weather since February 2000. Different roll are chosen depending on the weather (clear or rainy) within 400, 200, 150, and 60km radius area. On the other hand, this scheme allows for an independence of the radar system software employed for visualization and image enhancement. The technique implemented for compositing the radar images is efficient and aims to facilitate the analysis and diagnosis of the weather situation. It also, makes it easier the inclusion of further information, such as detailed maps and legends, and landmarks (lake, urban areas) for georeferencing purposes. 1. INTRODUÇÃO
O Laboratório de Meteorologia (LabMet) da Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP), em parceria com o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), vem operando o radar meteorológico de São José dos Campos em regime de 24 horas desde o mês de fevereiro de 2000.
O radar tem alcance máximo de 400km, sendo efetivamente operado para vigilância com 200km; no monitoramento da Grande São Paulo até o extremo leste do Vale do Paraíba com 150 km e para um melhor detalhamento dos sistemas atuantes em torno do município de São José dos Campos com 60 km de raio. As áreas de abrangência subentendidas por esses raios estão indicados na Figura 1.
As operações com o radar meteorológico têm a finalidade de monitorar os eventos de tempo severo, e, portanto, a de fornecer subsídios para a previsão de tempo de curto prazo (Gomes, 1994; Gomes et al., 1996; Gomes , 1998). Outra atividade normalmente realizada é o alerta meteorológico. No caso do radar de São José dos Campos, este alerta é feito em tempo real para a Defesa Civil do município, com vistas a auxiliar nos trabalhos de atendimento, resgate e prevenção junto à população.
O objetivo deste trabalho é apresentar a rotina operacional, geração de produtos e o tratamento digital de imagens do radar meteorológico de São José dos Campos.
2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO RADAR
O radar RMT 0100D, fabricado pela Tectelcom Aeroespacial, é um radar meteorológico tipo pulsado, Doppler, coerente na recepção com oscilador a magnetron coaxial. As principais características técnicas do radar na encontram-se na Tabela 1.
Tabela 1 - Características Técnicas do Radar de São José dos Campos - SP Freqüência de Transmissão Banda S (2,7 a 2,9 GHz), monofreqüência, sintonizável Duração do Pulso 1 µs (SP) e 2 µs (LP)
Velocidade não Ambígua ± 50 m/s em 120 km, com dupla PRF na relação 3:2 Tipo de Antena Refletor Parabólico em alumínio com 4 m de diâmetro
Ganho da Antena 38,6 dBi
Polarização Linear
Elevação de –2 a +90 graus (limite operacional) Velocidade Angular 36 graus/s (6 rpm)
Aceleração Angular 15 graus/s2
Potência Máxima 850 Kw
Mínimo Sinal Detectável - 114 dBm
Largura do Feixe Menor que 2 graus
Capacidade de detecção Melhor que 12 dBZ a 200 km
Freqüência de Repetição 250 - 400 Hz (2 µ/s) e 400 - 1200 Hz (1 µ/s)
Tipo de Processamento Refletividade, Velocidade Doppler e Largura Espectral Modo de Operação Local ou Remota
Distância não Ambígua 400 km
Fonte: Librelato (1997) e Tectelcom Aeroespacial (1998). 3. OPERAÇÃO DO RADAR METEOROLÓGICO
A operação do radar meteorológico de São José dos Campos é realizada pelos técnicos em meteorologia do LabMet, em regime de 24 horas. Essa operação consiste em monitorar os sistemas meteorológicos atuantes adequando o tipo de receita para cada situação vigente, assim como, em tornar disponível as imagens de radar para os usuários e fornecer/divulgar o alerta meteorológico.
As rotinas de operação são dividas em duas categorias, e são apresentadas como apresentado na Tabela 2. As especificações adotadas para cada tipo de varredura constam na Tabela 3.
Tabela 2 - Modo de operação do radar para vigilância e na presença de chuva.
Modo Freqüência Tipos de varreduras
1 hora Volumétrica
Vigilância
30 min Azimute
Chuva 11 min Azimute e Volumétrica
Na elaboração da receita foram realizados vários testes nos meses de janeiro, fevereiro e março deste ano. Os testes tiveram como objetivo extrair produtos com máxima resolução espacial e temporal para monitorar diferentes tipos de sistemas dos sistemas convectivos.
Normalmente, os sistemas convectivos têm um tempo de vida muito curto e na maioria das vezes, o tempo de 15 minutos (execução da tarefa e geração dos produtos) era insuficiente para acompanhar a evolução de um Cb
Tabela 3 - Especificações de cada tipo de varredura
Varreduras Azimutal Volumétrica
Elevação 0,1 grau 0,1 a 25,5 graus
Número de elevações 1 “step” 15 “steps”
Velocidade 12 º/s ou 2 rpm 15º/s ou 2,5 rpm
Tempo da operação 1 min 8,0 min
Alcance 200 e 400 km 150 km
PRF 714/476 Hz e 365/0 Hz 714/476 Hz
Resolução 0,5 e 1,0 km 0,375 km
Portanto, o Modo Vigilância (varredura em azimute) é realizado de 30 em 30 minutos pois o tempo de duração é de 1 minuto, desde a varredura propriamente dita à geração do produto final.
Quando um sistema meteorológico é detectado, esse modo de operação é interrompido e a rotina é ajustada para o Modo Chuva, isto é, a geração de todos os produtos é realizada em 11 minutos. Não detectando mais nenhum sistema, a operação volta ao modo Vigilância.
4. PRODUTOS GERADOS
Os produtos atualmente gerados são: PPI(Z,V), MAX_CAPPI(Z,V) e CAPPI(Z), onde Z é a taxa de refletividade dos alvos, medida em mm6/mm3 ou em dBZ, e V é a velocidade radial média dos alvos, medida em m/s. Os produtos 2D são apresentados a seguir.
4.1. PPI (PLAN POSITION INDICATOR)
Este produto é obtido de uma varredura em azimute em coordenadas polares, em um ângulo de elevação determinado, e representa a projeção, no plano horizontal, dos dados de ecos recebidos ao longo das radiais do radar (Librelato, 1997).
Conforme apresentado na Tabela 3, a elevação adotada em relação ao plano horizontal do radar é de 0,1 grau.
Os produtos finais das varreduras para 200 km e 400 km têm resolução radial de 1 km e 2 km, respectivamente. Esta degradação da resolução radial (vide Tabela 3) é devido ao número de linhas e colunas da janela de visualização da imagem de radar. Um exemplo dessa imagem é apresentada na Figura 2.
4.2. MAX_CAPPI (MAXIMUM VALUE INDICATOR)
Os dados são obtidos de uma varredura volumétrica em coordenadas polares, convertidos em coordenadas cartesianas e corrigidos pela curvatura terrestre. O MAX_CAPPI representa a projeção dos valores máximos obtidos em três planos: de cima para baixo no plano horizontal; de oeste para leste, no plano vertical lateral direito rebatido; e de sul para norte, no plano vertical lateral superior, rebatido. Esses planos, o lateral direito e o superior, fornecem a informação sobre núcleos intensos e em que alturas estes estão presentes. No plano horizontal fornece a localização geográfica dos núcleos (Librelato, 1997).
A varredura volumétrica é realizada para um raio de 150 km. Desse volume de dados em 3D é extraído o MAX_CAPPI de 150 km e de 60 km, com uma resolução radial de 625 e 250 metros, respectivamente, ambas limitadas em 15 km de altura (vide Figura 3).
4.3. CAPPI (CONSTANT ALTITUDE PPI)
O CAPPI é obtido de uma varredura volumétrica em coordenadas polares, convertido em coordenadas cartesianas e corrigido pela curvatura terrestre. O produto representa a projeção, em um plano horizontal, dos dados contidos em uma camada a certa altura no entorno do radar (Librelato, 1997).
O CAPPI (Figura 4) é extraído da varredura volumétrica de 150 km de raio e a altura adotada é de 3 km. Essa altura é suficiente para sobrepor a Serra da Mantiqueira, onde o topo mais alto atinge cerca de 2400 metros em relação ao nível médio do mar.
Figura 4 – CAPPI para 150 km gerado pelo Rainbow.
5. A COMUNICAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS
Desde a obtenção dos dados até a visualização dos produtos, as operações são gerenciadas basicamente por três softwares: Bem-Te-Vi, Frog e Rainbow (Librelato, 1997). As principais funções estão resumidas na Tabela 4.
Tabela 4 - Principais softwares do sistema radar de São José dos Campos e suas funções
Software F u n ç õ e s
Bem-Te-Vi
• Controle do transceptor, unidade de força, pressurização do guia de onda, lubrificação das engrenagens; etc.
• Interface com o Frog
• Controle local Frog
• Cômputo dos dados de cada radial do radar
• Geração de bloco 3D dos dados
• Interface com o Bem-Te-Vi e com o Rainbow
• Controle local e visualização dos dados Rainbow
• Recepção e armazenagem de bloco 3D de dados
• Extração, armazenagem e distribuição de imagens 2D dos produtos
• Controle e operação local ou remota do sistema radar
A operação do radar em si é gerenciada por um computador com o software Bem-Te-Vi e os dados são repassados para um outro computador com o software Frog. Esta operação é realizada dentro do Radar Room (Tectelcom Aeroespacial, 1998), conforme o esquema apresentado na Figura 5.
Figura 5 – Fluxograma dos dados de radar.
O software Frog gera os arquivos de dados 3D e os transfere para a máquina talow, onde o programa
Rainbow os armazena e também gera os dados 2D. Nesta etapa, denominada de Centro de Operação Local (COL),
o operador já pode visualizar os produtos gerados.
Os dados 2D são transmitidos via “radio link” para a máquina tarow, denominada de Centro de Operação Remota (COR), onde os produtos são visualizados e armazenados via software Rainbow.
A máquina gralha busca automaticamente os produtos 2D na máquina tarow e faz o acabamento da imagem como, por exemplo, a colocação da grade e o recorte com zoom para determinadas áreas.
A geração dos produtos é realizado pela máquina gralha via “cron” e os arquivos são enviados no CPTEC (Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos - INPE) via Internet (vide Figura 5).
6. TRATAMENTO DAS IMAGENS
Na visualização dos produtos com o Rainbow (tarow) pode-se acrescentar um mapa, pontos para situar cidades com legendas, círculos que representam os raios de alcance, etc. (Figuras 2, 3 e 4). Pode-se obter coordenadas de determinados pontos, realizar zoom de tamanho fixo (padrão), realizar animação de seqüências de imagens etc. Entretanto, são recursos que acompanham o software sem que haja facilidade para alteração, como é o caso das legendas das cidades ou mesmo da colocação de um mapa de fundo colorido.
Assim, foi desenvolvido um esquema de tratamento das imagens, onde as mesmas recebem um acabamento de melhor qualidade com o objetivo de localizar e destacar as informações fornecidas pelo radar.
A partir das coordenadas do radar, estabelecidas via GPS (Sistema de Posicionamento Global), foi elaborado um mapa de referência que contém a divisão dos municípios e a localização das principais cidades num raio de 60 km. Este mapa serve de referência para todas as outras escalas ou raios (150, 200 km etc.). Nessa fase, a grade construída foi comparada com a grade do software Rainbow, onde se constatou uma diferença de cerca de 10 km na localização de algumas cidades. Este fato se deve à baixa resolução do mapa introduzido pelo fornecedor.
Via software Rainbow, é gerada a imagem de radar sem grade e sem legenda e armazenada automaticamente na máquina gralha.
O software desenvolvido pelo LabMet faz a junção das três imagens (Figura 6) na seguinte seqüência: grade sobre a imagem, esta (conjunto grade-imagem) sobre o mapa colorido ou fundo. O resultado dessa
Figura 6 – Camadas que entram na composição do produto final.
A grade ou mapa de linha é bem suave para não comprometer a imagem de radar e permite a localização geográfica nos casos de cobertura total ou parcial do local da imagem de radar.
O mapa de fundo é rico em informações tais como topografia, rios, lagos, ilhas, oceanos. Foram também acrescentadas delimitações de estados e municípios, rodovias, pontos e legendas das cidades, áreas urbanas etc.
Conforme a necessidade, pode-se alterar facilmente as configurações do mapa ou então adicionar uma nova informação como, por exemplo, uma rede de transmissão de energia (Figura 8).
Algumas áreas podem requerer ampliação. O recorte é feito segundo determinadas coordenadas e ampliado, adequando-se, na mesma proporção, a grade e o mapa. Um exemplo desse tipo de produto para a cidade de São Paulo é apresentado na Figura 9. A resolução do radar, mesmo num raio de 150 km, permite uma imagem de ótima qualidade.
7. ANIMAÇÃO DAS IMAGENS DE RADAR
A animação das imagens de radar é muito importante para o monitoramento dos sistemas convectivos e são fundamentais para auxiliar a previsão de curto prazo. Entretanto, a animação requer programas específicos, seja em ambiente Windows ou em estações de trabalho.
Visando atender às várias plataformas de trabalho com apenas um programa, foi desenvolvido em conjunto com o INPE, uma “homepage” com programação em Java para realizar as animações.
Para cada produto, utilizam-se as imagens mais recentes e as animações são realizadas com um número fixo dessas imagens. As opções de animação permitem um “looping”, contínuo ou vai-e-volta, e ainda o avanço de uma imagem de cada vez ou ir diretamente à primeira ou à última imagem. Permite também o controle da velocidade da animação, assim como a sua interrupção.
Na Figura 10 é apresentado uma janela com duas partes: no lado esquerdo a imagem de radar e no lado direito o menu de animação e a escala em termos de intensidade de precipitação. O menu da animação (à direita) controla as imagens à esquerda de acordo a opção selecionada. Acompanha também uma escala em termos de intensidade que pode ser substituída por uma escala em dBZ. A geração dessas imagens é feita na gralha.
Figura 9 – Ampliação da área da cidade de São Paulo a partir do MAX_CAPPI de 150km.
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS
Com base em vários testes, foi elaborado um esquema de operação ou rotinas no Modo Vigilância e no Modo Chuva, obtendo-se imagens de radar com alta freqüência (11 minutos), sem comprometer a qualidade e a segurança do equipamento.
Apesar do controle do radar à distância, com comunicação via “rádio link” de 64 kb, a operação, o arquivamento dos dados 3D e o recebimento dos produtos 2D são realizados eficientemente.
A criação de três camadas para a composição das imagens de radar é uma técnica eficaz para o destaque das informações e também na localização dos sistemas precipitantes. Essa técnica também é versátil permitindo inclusão ou alteração das informações contidas nos mapas e fundos coloridos.
A técnica foi implementada através de programação e é executada automaticamente via “cron” na estação de trabalho (gralha) e disponibilizado via Internet.
A animação das imagens de radar via programação em linguagem Java é simples e eficiente e de fácil manuseio pelos usuários.
Os produtos DOPPLER como o vento ainda não foram suficientemente explorados necessitando de um estudo maior da forma de combinação entre velocidade máxima não-ambigüa e distância máxima não-abmigüa para solucionar o “Dilema DOPPLER” (Rinehart, 1999; Doviak and Zrnic, 1993; Pereira Filho, 1999).
O LabMet em conjunto com o INPE, a curtíssimo prazo, deverá mudar a localização física da antena. Após essa mudança, serão realizados testes de para a validação da estimativa da precipitação em superfície, com objetivos de correção de ecos de terreno e da propagação do feixe eletromagnético (Saraiva et al., 1998) e estimativas da relação entre a refletividade e taxa de precipitação (Antonio, 1996; Wagner & Massambani, 1986; Calheiros & Zawadzi, 1998).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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