Meteorologia com Radar ACA Carlos Augusto Morales sala 322 Tel:

Meteorologia com Radar

ACA 0412

Carlos Augusto Morales

sala 322

carlos.morales@iag.usp.br

Tel: 3091-2711

material do curso:

http://www.storm-t.iag.usp.br/pub/ACA0412

Aulas Teóricas

: Sala 15

Aulas Práticas/Laboratório : Sala 114

ou Sala Sinótica (117)

usuários: curso4

Conteúdo do Curso

 História do Radar

 Tipos e Instrumentos

 Revisão de Ondas Eletromagnéticas e Propagação de Ondas

 Equação do Radar

 Espalhamento Rayleigh e Mie

 Relação Z-R e estimativa de Precipitação

 Atenuação

 Velocidade Doppler

 Polarimetria e estimativa de Precipitação

 Previsão de Curtíssimo Prazo

 TRMM, CloudSat e GPM

Aulas de Laboratório

- Linux e IDL

- Ler dados de radar, fazer navegação e plotar os

dados de radar

- Interpretar dados de radar simples e polarimétrico

- Fazer correção de atenuação de chuva

- Fazer estimava de precipitação

- Fazer cortes transversais e analisar perfil vertical da

chuva.

Avaliação

Nota Final = (Média das Lista + Trabalho/Monografia)/2

 Listas de Exercício:

Média das Listas de exercício e dos Exercícios de Laboratório

 As Listas de exercício serão distribuídas ao longo do curso. O prazo de entrega será de uma semana a partir da

distribuição da mesma. No caso de atraso, haverá um desconto de 10% da nota para cada dia não entregue.

Exercícios de laboratório serão distribuídos durante as aulas práticas para que os mesmos sejam entregues no final da aula. A nota é válida somente para os alunos presentes.  Trabalho/Monografia: Ao final do curso (27 de Junho de

2019), cada aluno irá apresentar um seminário (15 min) e entregar uma monografia/trabalho que poderá versar sobre análise dos dados, revisão bibliográfica, estudo de casos, desenvolvimento de software e etc. Os temas serão

distribuídos e definidos em sala de Aula e o tópico será

definido até dia 28 de Março de 2019. Caso ocorra plágio o aluno estará reprovado automaticamente.

Referências Bibliográfica

Battan (1973) Radar Observation of the Atmosphere

Doviak and Zrnic (1984, 1993) Doppler Radar and Weather Observations, Academic Press, Second Edition

Bringi and Chandrasekar (2001) Polarimetric Doppler Weather Radar, Cambridge Press

http://gnuplot.sourceforge.net

e

IDL: http://www.dfanning.com/ ou

http://www.exelisvis.com/Support.aspx

IDL – Free - http://gnudatalanguage.sourceforge.net Lab. Didático

Username: curso4 Senha: curso4

Diretório: /home/curso4-share/Radar_2019/Aluno

Radar Radio Detection and Ranging



Arte de detectar objetos através dos ecos

de ondas de rádio e assim determinar a sua

direção e alcance,

além de reconhecer as

suas características



O termo

objeto

significa qualquer alvo

suspenso na atmosfera que retorna uma

potência detectável no receptor.

No nosso

caso, os alvos são os hidrometeoros

(gotículas de nuvem, gotas de chuva,

cristais e pedras de gelo).

Sensoriamento Remoto

Ativo

Radar

Passivo

Algumas aplicações na área de Meteorologia

• Estimativa de precipitação – Principal

• Previsão de enchentes e alagamentos • Identificação de tempo severo

• Detalhamento da estrutura 3D da precipitação •Medidas de vento – Horizontal e Vertical

•Detecção de turbulência e cisalhamento •Previsão de curtíssimo prazo

•Detecção de granizo e gelo para aviões e tempo severo •Classificaçãodos dos hidrometeoros

•Identificação das regiões de derretimento de gelo •Detecção de meso-ciclones, tornados e downburst •Assimilação de dados

Um breve relato da história

•

_Christian

_Hulsmeyer

_{(1904) desenvolveu um}

instrumento que detectava a presença de navios.

Durante um experimento de comunicação

montado às margens do rio Potomac nos

Estados Unidos, sinais de rádio eram

transmitidos de uma margem a outra.

Entretanto quando navios passavam entre o

caminho descrito pelas duas torres

(transmissão e recepção) foram observadas

flutuações de intensidade no sinal da

•

_{Em 1917, Tesla projeta um gerador de}

frequência e potência que é o princípio de

um radar. Neste época ele também esboça

o conceito de um radar primitivo que

poderia rastrear embarcações

•

_“

...by their [standing electromagnetic short

waves] use we may produce at will, from a

sending station, an electrical effect in any

particular region of the globe; [with which] we

may determine the relative position or course of a

moving object, such as a vessel at sea, the distance

traversed by the same, or its speed".

•

_{Na década de 1930, o primeiro radar}

pulsado (distância) foi desenvolvido por

pesquisadores Britânicos, Alemães,

Franceses e Americanos com o objetivo de

aprimorar o Sistema de defesa.

•

Em 1935 o governo Britânico solicita ao

Físico Escocês Robert Watson-Watt

que fizesse o “raio da morte”, pois os

Nazistas já faziam propaganda que

dispunham de um.

•

Em 1940, Robert Watson-Wat com a

ajuda de John Randall e Henry Boot da

Universidade de Birmingham inventam

a válvula de potência Magnetron.

•

Está válvula produzia pulsos de ondas

de rádio que permitiam a detecção de

aviões inimigos da RAF

•

_{Em 20-Fevereiro-1941 um radar de 10-cm}

(banda S) rastreia nuvens de chuva,

porém

o Laboratório de radiação do MIT já tinha

feito observações similares no começo de

1940.

•

_{Ryde (1941) também já havia previsto tal}

•

_{Em 1943, O MIT começa a treinar os}

meteorologistas da U.S. Air Force no uso de

um radar meteorológico.

•

_{1943 – Primeiro radar meteorológico}

operacional é instalado no Panamá

•

_{Basicamente a área de meteorologia por radar}

Avanços



1940-50 desenvolvimento da técnica Doppler.

Ela é utilizada para medir a velocidade de

propagação dos alvos em relação ao radar

(velocidade radial);



Década de 1950 -

Por causa dos Furacões

Carol e Edna

, o Instituto de Meteorologia dos

EUA solicita a implantação de uma rede de

radares meteorológicos.



Em 1958 a Raytheon inicia a produção de 31

WSR 57 (Weather Surveillance Radar

-Banda S)



Entre 1976-1981 a EEC atualiza os radar

para a versão WSR 74C

Avanços



1970-80 estudos teóricos revelam que a

polarimetria poderia ser empregada para a

identificar granizo e estimar a precipitação com

melhor acurácia; Seliga e Bringi (1976)



1978 Universidade de Chicago e o Instituto de

pesquisas hídricas de Illinois desenvolvem o 1º

radar Polarimétrico: CHILL Radar



1990 o CHILL é transferido para a CSU



Na década de 1990 é implementado o Next

Generation Radar – NEXRAD e 131 WSR-88D

radares Doppler são instalados nos EUA



A partir de 2010 os WSR-88D são atualizados

para incorporarem dupla polarização

No Brasil



1974 - 1º radar meteorológico foi

instalado no IPMet/UNESP Bauru

1974-1979 - Radar Banda-C da EEC

Analógico e com câmera fotográfica



1985 – Jan-Junho - Radar Banda C é instalado

em Petrolina – Pernambuco pelo IEA/CTA. Foi

utilizado para avaliar o campo de chuva no

semi-árido do NEB.



1987 – Radar que combina Banda X e S é

instalado em Fraiburgo (SC) para supressão de

granizo.



1989 - 1º radar meteorológico Banda S brasileiro

é instalado em Salesópolis. USP/CTH/DAEE



_{1992 - 1º radar meteorológico Doppler Banda S é}

instalado e substitui o radar banda C de Bauru.



Final da década de 90 o IPMET instala um outro

Radar Doppler Banda S em Presidente Prudente



1993 - 1º radar meteorológico Doppler Banda X

é instalado em Fortaleza, FUNCEME, para

estudos de física das nuvens.



1990-2000 TECSAT recebe financiamento da

FAB/INFRAERO para desenvolver tecnologia

nacional e construir radares meteorológicos

Doppler Banda S para o DECEA. Entregou 6

(DF, SP, RJ, SC, 2RS) (Pareceria com a

Gematronik e GAMIC)



1998 – Doppler Banda S – Teixeira Soares

-Paraná – SIMEPAR



2001 – Banda C de Bauru é transferido para



2002 – 10 Radares Doppler Banda S são

instalados na Amazônia – Projeto SIVAM (São

Gabriel da Cachoeira, Cruzeiro do Sul, Porto

Velho, Tabatinga, Tefé, Manaus, Boa Vista,

Santarém, Macapá e Belém)



2006/2007 – 1

Radar Doppler Polarimétrico

banda X móvel - MXPOL – IAG/USP



2009 – 1

Radar Doppler Polarimétrico banda X

operacional – CTA/CLA



2010 – ATMOS entrega em São Luiz do

Maranhão, um radar Doppler Banda S, 11º radar

do SIPAM.



2011 – IACIT entrega em Quixeramobim um radar



2012 – CEMIG instala um radar Doppler Banda C

de Dupla Polarização em Mateus Leme – MG.



2013 – 2014 – CEMADEN Instala de 9 Radares

Meteorológicos Doppler Banda S de Dupla

Polarização no (Natal (RN), Petrolina (PE),

Maceió (AL), Salvador (BA), Almenara (MG), São

Francisco (MG), Três Marias (MG), Santa Teresa

(ES) e Jaraguari (MS)



2013/2014 – DAEE/FCTH instala Radar Banda S

Doppler de Dupla Polarização em Salesópolis

para substituir o antigo radar da McGuill



_{2013 - Centro Capixaba de Monitoramento}

Hidrológico instalou um Radar Doppler Banda S

de Dupla Polarização em Aracruz (ES)



2014 – SIMEPAR instala radar Banda S Doppler

de Polarização Circular em Cascavel



2014 – EPAGRI/CIRAM instalam radar Banda S

Doppler Dupla Polarização em Lontras (SC)



2014 – CLIMATEMPO instala um radar

meteorológico banda X na USP/LESTE



2014 – IAG/USP instala um radar meteorológico

banda X na USP/Butantã – CHUVAONLINE



2014 – INEA instala dois radares meteorológicos

Doppler Banda S de Dupla Polarização, sendo um

em Macaé e outro em Guaratiba.



2016 – Defesa Civil de Goiania instalou um



2013-2016 – Projeto entre IAG/FCTH/Novimet e

FASEP propicia o desenvolvimento de um radar

doppler de Dupla Polarização. O radar começa a

funcionar em Junho de 2016 no Parque Cientec

da USP.



2016 - Projeto SOS-CHUVA instala um radar

Doppler Banda X de dupla polarização móvel em

Campinas (até 2018)



2017 – Defesa Civil de Santa Catarina em

Parceria com EPAGRI/CIRAM instalam 2 radares

Doppler Polarimétricos: Banda S – Chapecó e

móvel banda X em Florianópolis.



2017 – Defesa Civil/SIMEPAR instalam mini-radar



2017 –UFRJ/COPPE/FINEP adquirem um radar

Doppler Banda X a ser instalado no aeroporto do

Galeão. Previsão de instalação: Março 2019.



No momento temos 44 radares meteorológico

operacionais no Brasil, mas que não estão

Vigilância

Meteorologia por Radar

Trabalhos teóricos no final de 1940 mostraram que os

“

ecos do tempo

” eram um efeito do espalhamento da

radiação eletromagnética (EM) pelas partículas de

precipitação (interação ressonante da onda EM que

se propaga com o dielétrico, ou seja, a água e o gelo).

Hoje em dia, os radares meteorológicos não somente

detectam hidrometeoros (tanto precipitação como

nuvens),

mas também alvos em “ar-claro” tais como

insetos e aerossóis, como também variações no

índice de refração que estão associados a umidade e

movimentos turbulentos na atmosfera

Imagem do Radar em 15 de Julho 1960 Furacão Abby próximo de Belize

(Foto do U.S. Navy)

Exemplos de alguns radares

Prudente Bauru

Salesópólis

915 MHz Wind Profiler Southern Great Plains ARM-CART site

482 MHz German

Meteorological Service Wind Profiler

28 de Abril 2006

Resolução Espacial: 90 a 450 m

Alcance: 21,6 a 108 km

Potência: 10 kW

Varreduras: PPI e Volumétrica

Modo de Operação: Internet

Potência: 10 kW

Energia: 220V ( < 1,5 kVa)

Instalação: Pedestal/Prédio

Local: Cidade, área remota, móvel

Radar Doppler Banda X de Dupla Polarização fabricado pela NOVIMET

Resolução Espacial: 100 m

Alcance: 60-100 km

Potência: 100 kW

Varreduras: PPI e Vol

Operação: Internet

Classificação dos radares



Radar Primário:

–

Radar Pulsado

–

Radar de onda contínua:

– Modulado

– Não Modulado

Radar Primário



Transmitem sinais de alta freqüência

que são refletidas pelos alvos.

Os ecos

de retorno são recebidos e analisados.

Radar Secundário



Envia sinal codificado sobre alvos e

recebe informações de volta.



Exemplo:

Um avião tem um

transponder (

trans

mitting res

ponder

) a

bordo que recebe um sinal codificado e

ao ser ativado envia de volta diversas

informações (altitude, id, e etc).

A sinal

do radar ativa o transponder.

Ocorre o

mesmo com um míssil!!!

Radar Pulsado



O mais comum.



Uma antena que transmite e recebe

sinal de alta frequência.



O radar transmite pulsos curtos de

radiação eletromagnéticas (EM) e

espera por um eco de retorno.



A posição é determinada pelo tempo de

resposta e posição da antena

Exemplos



Radar Meteorológico

convencional

:

medem somente uma polarização (H ou V);



Radar Doppler

: mede mudanças de

freqüência do eco de retorno para mensurar

se o mesmo esta se afastando ou se

distanciando do radar.



Radar Polarimétrico

: emite e recebe sinal

em diversas polarizações.

Radares Contínuos - CW



_{Transmitem sinal continuamente}



_{O sinal do eco é recebido e processado}



O receptor não precisa estar junto ao

CW



Não modulado: a transmissão do sinal

tem amplitude e freqüência constante.

Utilizados para medir a velocidade –

radar de policia



Modulado: a transmissão do sinal tem

amplitude constante mas não em

freqüência. Utiliza o princípio do tempo

de propagação.

Espectro EM

• A região de micro-ondas compreende a faixa de 300 MHz a 300 GHz do espectro EM, ou em comprimentos de onda de 1 m a 1 mm (f = c/λ )

• Imediatamente acima desta faixa temos a faixa do infravermelho.

• Os espalhamentos Rayleigh e Mie podem ser aplicados para partículas precipitáveis e de nuvem na região de

micro-ondas.

• O espalhamento Bragg também pode ser observado, tipicamente antes do ponto aonde os alvos do regime Rayleigh são produzidos.

• As aplicações de radar se extendem a frequencias de VHF (30-300 MHz): Perfiladores.

• Neste caso, tanto o espalhamento Rayleigh devido a precipitação e o espalhamento Bragg devido ao ar claro são importantes. O espalhamento Bragg está associado ao espalhamento decorrente das flutuações do indíce de refração causado pelas variações de temperatura e umidade dentro de ½ do comprimento de onda da

radiação incidente (alguns metros)

• Potência retornada pelo alvo em um regime Rayleigh  P_r  1/4

Espectro e algumas caracteristicas de EM:

Comprimento de onda,  [m, cm, mm, m etc]

Frequência, ν ou f [s-1, hertz (hz), megahertz (Mhz), gigahertz (Ghz)

Espectro EM

Banda dos Radares

Bandas W são “radares de nuvens”

Bandas X, C, S e L são “radares de precipitação”

Já Perfiladores de Vento (UHF & VHF; ~50 to 900 MHz; ~6 to 0.3 m)

Características do Radar

O radar pode ser descrito basicamente da seguinte forma:

•Transmissor: produz pulsos de alta potência na freqüência do radar; • Antena: irradia a potência e intercepta o sinal recebido;

•Receptor: detecta, amplifica e transforma o sinal recebido em forma de vídeo e ou digital

•Chave T/R: Comuta a antena entre a transmissão e a recepção a uma alta taxa, tipicamente a cada milisegundo

Transmissor

Fonte de Radiação EM irradiada pelo radar

Gera sinais de alta freqüência que saem pela antena

- 3 Tipos de transmissor: Magnetron, Klystron e Estado Sólido;

Magnetron:

Inventado pelos ingleses em 1939;

Pequeno e gera energia superior a 250 kW

Klystron:

São grandes e são verdadeiros amplificadores; Fácil controle da forma de onda transmitida; Potência superior a 2 MW;

Sinal de saída tem freqüências puras, logo é bem aplicado em radares Doppler;

Estado Sólido:

Pequena potência, ~ 50 W;

Dentro do transmissor existem moduladores que ligam e

desligam o transmissor, possibilitando a correção da forma de onda transmitida. Este mecanismo também controla quando o sinal será transmitido e quanto tempo durará a transmissão.

A taxa com que o radar transmite é conhecida como PRF (Pulse Repetion Frequency) e é medida em pulsos por segundo ou

Hertz (Hz).

Valores típicos variam de 200 a 3000 Hz.

A partir da definição da PRF podemos determinar a distância máxima que o radar irá operar.

Distância Máxima

O tempo gasto por um onda para atingir o alvo e retornar pode ser descrita como:

mas 

onde “c” é a velocidade da luz ( ~3 x 108 _m/s) c R T  2 MAX  PRF T  1  PRF c R_MAX 2 

Largura do Volume

A duração do sinal transmitido é definido como duração do pulso  (0.1 à 10 s) ou largura (30 à 3000 metros) da

amostragem e define a largura do volume a ser amostrado pelo radar, volume iluminado.

O volume iluminado é comumente definido como

BIN ou Gate

Por outro lado, temos que um radar Meteorológico pulsado consegue caracterizar um alvo com apenar metade da largura do pulso.

Dessa maneira, a largura do BIN pode ser definida como:

Um pulso de 0,1 us  15 metros 1,0 us  150 metros

Antena

• Instrumento que detecta o sinal do radar;

• A maioria das antenas são direcionais, o que permite que elas possam concentrar a energia em uma direção em particular

• O tamanho da antena e a freqüência de operação do radar determinam o volume a ser iluminado;

(graus)

D

λ

=

θ

70

 é o comprimento de onda em cm e D o diâmetro da antena em cm.

Guia de Onda

• Meio que conduz a energia transmitida do radar sem perdas; • Define a Polarização da onda EM a ser transmitida;

Receptor

Sistema configurado para detectar o sinal recebido e amplificar os sinais fracos recebidos pela antena;

A maioria dos radares misturam o sinal recebido com um sinal de referência conhecido, que tem uma freqüência diferente da transmitida. Esta mistura converte o sinal

observado a freqüências mais baixas (30 à 60 MHz), as quais são mais fáceis de trabalhar;

Receptor

Estes sistemas estão projetados para detectar um sinal mínimo possível ~ 10-14 _W.

Como a Potência transmitida é da ordem de 100-1000 kW.

Expressamos a potência em decibéis (dB), que é a diferença entre as potências P0 e P1, referência/transmitida e retornada:

       0 1 10 log 10 ) ( P P dB P

Em geral a potência mínima detectável (MDS – mínimo sinal detectável) no receptor é -103 dBm. Já MDS(R) (mínimo sinal distinguível) é a potência mínima que

pode ser detectada acima do nível de ruído do sistema. Radares extremamente sensíveis podem detectar

sinais mais baixos que -115 dBm.

Detecta chuva

http://www.radartutorial.eu/09.receivers/rx51.en.html

Ruído médio 3 dB

Não detecta Detecta chuva

A medida do radar esta definida pela faixa dinâmica.

A faixa dinâmica de um radar é a faixa de potência que pode ser detectada.

Sendo que sinais baixos podem ser detectados acima do sinal de ruído, porém sinais fortes de tempestades próximas podem saturar o receptor.

Dessa maneira, utilizam-se atenuadores que diminuem a potência de retorno a fatores conhecidos para tempestades próximas do radar.

Faixa dinâmica – X dBM

8 bits  28 _{= 256}

10 bits  210 _{= 1.024}

24 bits  224 _{= 16.777.216}

Intervalos de Classes

Valor mínimo Valor máximo

Por exemplo: Zmin=-32 e Máx=95 dBZ 8 bits  delta_Z = 0,5 dBZ

Indicadores ou Display

Sistema de visualização:

- Scopes, Tubo de raios catódicos; - Osciloscópicos;

- Monitores;

Os primeiros indicadores foram os tubos de raios catódicos, ou A-Scope (Azimute) e R-Scope (Range)

PPI – Plan Position Indicator

Indicador de posição no plano. É utilizado para apresentar as varreduras do radar, ou seja, apresenta os sinais

recebidos em um sistema de coordenadas polares com elevação fixa.

Mas no PPI temos que lembrar que o radar esta

instalado sobre a superfície da terra, logo a medida

que o feixe se propaga ele se afasta da superfície

da terra por causa

da curvatura da terra

.

φ= 5

φ= 2

φ= 0

RHI - Range Height Indicator

Quando queremos inspecionar a estrutura vertical de uma tempestade, podemos utilizar o RHI (Indicador de posição e altura). Este produto apresenta o sinal recebido em função da distância e elevação (altura) para azimutes fixos

CAPPI - Constant Altitude Plan Position Indicator

Como o PPI é um indicador do sinal para uma determinada elevação, as vezes é mais conveniente representarmos este sinal a uma altura constante em relação a superfície da terra, uma vez que existe o efeito de curvatura e ângulo de

elevação do radar.

Dessa maneira define-se o CAPPI (Indicador de posição no plano a uma altitude constante ), como a projeção do sinal recebido a uma altura constante.

Este produto é processado após uma coleta completa em diversas elevações (Volume Scan)

USP – Apoio as aulas:

www.radar.iag.usp.br

USP - ChuvaOnline

IPMet/UNESP/Baurú

DECEA/INPE/USP/IPMet-UNESP

http://sigma.cptec.inpe.br/radar/

DECEA/RedeMet

GEO-RIO / CLIMATEMPO

FUNCEME

SAISP/DAEE http://www.saisp.br/geral/logon.jsp?userid=Publico

INEA

– Rio de Janeiro

NÃO DISPONÍVEIS

•

VALE – ESPÍRITO SANTO

Projeto de Parceria entre: IAG/PUSP/CLIMATEMPO/NOVIMET/FASEP/FCTH

Vigilância

Chuva