Cursos Associado ao GLP-Vale do Paraíba. O uso do GPS na Meteorologia (GPS meteorologia)

O uso do GPS na Meteorologia (GPS meteorologia)

LUIZ FERNANDO SAPUCCI CPTEC-INPE

Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ

Instituto de Geociências, 24 a 31 de outubro de 2011

Cursos Associado ao GLP-Vale do Paraíba

Conteúdo do curso:

• O sistema GPS;

• Linha de pesquisa GPS-Meteorologia:

– Receptores GPS em bases terrestres;

– Receptores GPS em bases espaciais;

• Coleta GPS nos experimentos do Projeto

Chuva;

• Potencialidades do GPS para a

meteorologia;

Posicionamento Geodésico

Onde estou? • Necessidade de se conhecer a posição geográfica: – Navegação; – Defesa de territórios; – Estratégia Militar; – Interesses comerciais; – Interesses políticos; – Interesses científicos.

Vantagens do uso de

satélites no posicionamento:

1. Fácil transmissão de informação; 2. Disponibilidade em todo o globo

;

3. Melhor relação custo/benefício; 4. Independe das condições do tempo;

Sistema disponível e operacional: GPS

• GPS

(Global Positioning System):

– Desenvolvido pelo departamento de defesa dos EUA; – Objetivo inicial: sistema de navegação das Forças

Armadas;

– Resultante de dois programas: Timation e o System 621B. • 24 satélites – hoje 32 • 20 000 km acima da Terra • período de 12 horas • 6 Planos orbitais • 55o _{de Inclinação} • 5 h acima do horizonte

Segmentos que compõem o sistema

Segmento Espacial Segmento de Usuários Estações Monitoras Segmento de Controle Cortesia: FCT-UNESP

Técnica de posicionamento por satélite

Órbita do Satélite Instante de Recepção (Receptor) t t R R Instante GPS de Transmissão (Pseudo -(Pseudodistância) = t t T T Pseudo-distância t (t R R)*c T -Onda Portadora Cortesia: FCT-UNESP

Conteúdo do curso:

• O sistema GPS;

• Linha de pesquisa GPS-Meteorologia:

– Receptores GPS em bases terrestres;

– Receptores GPS em bases espaciais;

• Coleta GPS nos experimentos do Projeto

Chuva;

• Potencialidades do GPS para a

meteorologia;

Erros envolvidos nas observáveis

FONTES EFEITOS

Satélite Erro da órbita Erro do relógio Relatividade

Atraso de Hardware

Propagação do sinal Refração troposférica

Refração ionosférica Perdas de ciclos

Sinais refletidos/Multicaminho Rotação da Terra

Receptor/Antena Erro do relógio

Erro entre os canais Centro de fase da antena

Estação Erro nas coordenadas Marés terrestres

Movimento do Polo Carga dos oceanos Pressão da atmosfera

O atraso no Sinal GPS devido a

troposfera

v c n  dt ds v  ds n dt c 



 n ds S



n 1



ds D ds ds n D S S D TROP TROP g TROP







     







Nds

D

_TROP

10

6

ATRASO TROPOSFÉRICO

• No tratamento do D

_TROP

é efetuado em

dois

passos:

– A determinação do atraso na direção zenital, e

– Relacionar esse valor com o ângulo de elevação (E) do satélite observado (mh e mw).

• Onde

– D_ZH é atraso zenital gerado pela influência dos gases hidrostáticos

– D_ZW é atraso zenital gerado pela influência do vapor d’água atmosférico

.

)

(

)

(

E

D

mw

E

mh

D

D

_TROP



_ZH



_ZW

ATRASO TROPOSFÉRICO

• A

refratividade do ar

(N) é dada por (Davis et al.,

1985) :

• Depois de um apropriado tratamento algébrico

tem-se:

• Note:

– N_h é independente da razão de mistura entre vapor d’água e os demais componentes atmosféricos.

1 w 2 3 1 w 2 1 h h 1 Z T e k Z T e k Z T P k N       1 w 2 3 1 w 2 h 1 w h Z T e k Z T e k R k N N N   



 '   

ATRASO TROPOSFÉRICO

• O

atraso zenital da componente hidrostática

é

obtido por:

• Aplicando a equação do equilíbrio hidrostático:

• Chega-se na seguinte expressão:





 

_



10

N

ds

10

k

R

dh

D

_ZH 6 _h 6 _{1 h}



) , cos , ( ) , ( 0 0 3 ZH h 00028 0 2 0026 0 1 P 10 27683157 2 D     



)

(

)

(

h

g

h

dh

dP

_

_

_

DETERMINAÇÃO DO D

_ZW

VIA GPS

• O modelo funcional para as

observáveis GPS

é:

• Tomar as seguintes medidas:

– Tomar valores conhecidos para as coordenadas das estação e dos satélites;

– Estimar os valores da ambiguidade da fase; – Minimizar os efeitos da Ionosfera;

– Conhecer o erros do relógio dos satélites GPS;

– Modelar ou estimar os efeitos da deformação da Terra.

L PR TROP ION S R S R S L R

Sg

c

dt

dt

D

D

PR





.

(



)









S L R S L R L 0 R L 0 S L TROP ION S R S R S L R t t D D dt dt c Sg 















          ] ) ( ) ( [ ) ( .

DETERMINAÇÃO DO D

_ZW

VIA GPS

Mas como:

E o valor de D

_ZH

pode ser obtido utilizando valores

de pressão na superfície;

Tem-se:

ZW ZH TROP

D

D

D





ZH TROP ZW

D

D

D





Estimativa do IWV a partir do D

_ZW

• O valor do IWV é obtido pela integral da umidade absoluta:

• Atraso zenital da componente úmida é expresso por:

• A partir dessas equações chega-se na expressão:

onde:



 h h w 0 dh IWV





_





_





 

dh

T

e

k

T

e

k

Z

10

D

_ZW 6 _w 1 ₂' _{3 2}





D

_ZW

IWV

_

 

_





Tm

k

k

R

10

3 2 w 6 '



Dessa forma o GPS pode ser considerado também um equipamento meteorológico.

Superfície terrestre Topo da troposfera

Comparação: GPSxRadiossonda e

GPSxRadiômetro

60 50 40 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 IWV Radiossonda (kg/m2) IW V G P S ( k g /m 2 )

Fazenda Nossa Senhora R2: 0.865 60 50 40 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 IWV Radiossonda (kg/m2) IW V GPS ( k g /m 2 ) Porto velho R2= 0,800 60 50 40 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 IWV Radiossonda (kg/m2) IW V G P S ( k g /m 2 ) Guajará Mirim R2: 0,909

Características das demais técnicas

Características das radiossondas: Fornece boa resolução vertical;

Alto custo resultando em baixa resolução temporal

Difícil automatização;

Características dos radiômetros:

Fornece boa resolução temporal;

Alto custo resultando em baixa resolução espacial;

O GPS fornece a melhor relação custo/benefício pois além de fornece valores do IWV com alta

precisão pode ser empregado em

• Prós

– medidas com alta acurácia;

– ótima resolução temporal (all weather); – não requer calibração;

– medidas baseadas na frequência do sinal; – baixo custo; e

– alta confiabilidade.

• Contras

– medidas uni-dimensionais;

– não proporcionam informação direta sobre a distribuição espacial do vapor d’água

Radiossondas

GPS aplicado na quantificação do IWV na

direção inclinada



SW

D

IWVS









s s w SW

N

ds

D

0 6

10

GPS aplicado na quantificação do IWV na

direção inclinada



SW

D

IWVS









s s w SW

N

ds

D

0 6

10

Obtêm-se o campo tri-dimensional da distribuição do vapor d’água atmosférico.

Conteúdo do curso:

• O Sistema GPS;

• Linha de pesquisa GPS-Meteorologia:

– Receptores GPS em bases terrestres;

– Receptores GPS em bases espaciais;

• Coleta GPS nos experimentos do Projeto

Chuva;

• Potencialidades do GPS para a

meteorologia;

Perfilhamento Atmosférico com GPS

• Técnica denominada Ocultação GPS, envolvendo: – Satélites GPS

– Satélites de órbita baixa (LEO) contendo receptores GPS – Estações terrestres de monitoramento continuo.

• Desenvolvida na década de 60

– Monitorar a atmosfera de outros planetas através de ocultação de astros.

• Grande importância sobre superfícies oceânicas e áreas de difícil acesso.

Geometria da ocultação GPS

Receptores em satélites de orbita baixa (LEOs) rastreando sinais emitidos pelos satélites GPS depois

de propagar pela ionosfera e troposfera.

Satélites GPS

Ionosfera

Fundamentação Teórica

Observações do efeito Doppler (f )

são efetuadas pelo receptor LEO GPS

LEO Troposfera  a a     St Sr

)

,

(







f



F

)

(

sen







St

a

)

(

sen







Sr

a

)

(a

F



























 0 2 1 2 0 2 0

)

(

)

(

1

exp

)

(

a

a

a

da

a

a

n





A refratividade Atmosférica

• A refratividade é modelada pela equação

– O primeiro termo é a componente Hidrostática

– O segundo é a componente Úmida

T

e

T

P

n

N



(



1

)

10

6



77

,

6

h



3

,

73

.

10

5

Componente Hidrostática

• Para altitude entre 10 a 60 km o vapor d’água pode

ser desconsiderado e a refratividade pode ser

• Valores de Pressão pode ser obtido da equação do equilíbrio hidrostático

• Obtendo assim o perfil da temperatura a partir de N.

T

P

N



77

,

6

h

)

(

)

(

h

g

h

dh

dP

_





Componente úmida

• Na baixa troposfera onde o vapor d’água se concentra este deve ser considerado.

• Para recuperar valores da quantidade de vapor d’água utiliza-se:

– Valores de temperatura e pressão fornecidos por Modelos Numéricos de previsão do tempo ou valores provenientes de satélites sondadores.

T

e

T

P

N



77

,

6

h



3

,

73

.

10

5

Resultados

• Precisão dos perfis de temperatura entre

altitudes de 5 a 40 km é de 1 K.

• A importância desse resultado:

– Grande contribuição na melhoria das

Vantagens da Ocultação GPS

• Pode fornece dados de baixo custo sobre todo o

globo com cobertura uniforme;

• Não são afetados significativamente por nuvens

e precipitação;

• Possui alta resolução vertical variando de:

– 0,1-0,5 km na troposfera;

– 1,5 km na estratosfera.

• É um dos poucos sistemas de medidas que são

independentes de dados de radiossondas;

Conteúdo do curso:

• O Sistema GPS;

• Linha de pesquisa GPS-Meteorologia:

– Receptores GPS em bases terrestres;

– Receptores GPS em bases espaciais;

• Coleta GPS nos experimentos do Projeto

Chuva;

• Potencialidades do GPS para a

meteorologia;

Coleta GPS no Experimento PRE-CHUVA

2 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s

Máscara de elevação de 10°

Coleta GPS no Experimento CHUVA Fortaleza CE

2 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s

Máscara de elevação de 10°

Coleta GPS no Experimento CHUVA Belem PA

15 Receptores de dupla frequência Taxa de coleta de 30 s

Máscara de elevação de 10°

Coleta GPS no Experimento Vale do Paraíba SP

5 Receptores de dupla frequência do experimento

5 receptores de dupla frequência da rede GNSS-SP/IBGE Taxa de coleta de 30 s

Máscara de elevação de 10°

Disponibilidade dos dados processados: Versão 0.1

Novas versões: – Outros softwares;

– Outras estações meteorológicas; – Melhor taxa de amostragem;

Conteúdo do curso:

• O Sistema GPS;

• Linha de pesquisa GPS-Meteorologia:

– Receptores GPS em bases terrestres;

– Receptores GPS em bases espaciais;

• Coleta GPS nos experimentos do Projeto

Chuva;

• Potencialidades do GPS para a

Potencialidades do GPS para a

meteorologia

• Para a previsão numérica de tempo: – Assimilação de dados;

– Avaliação de modelos de PNT. • Para sistemas observacionais;

– Calibração de sensores de umidade atmosférica;

– Avaliação da incertezas nas medidas do vapor d’água na atm. – Tomografia do vapor d’água atmosférico.

– Aplicação para inferir a umidade do solo. • Aplicações em nowcast:

– Avaliação das séries temporais do IWV antes e durante fortes tempestades;

– Estudos sobre o comportamento do IWV durante processos convectivos;

Assimilação de dados

CI t=0 t=6h modelo f x x Verdade f x Obs Obs Obs Obs D ados externos P roduto final E stim ativa inicial da atm osfera

E stado inicial da atm osfera R odada cíclica M odelo de Circulação G eral Sistem a de assim ilação Hx_b y Modelo Observação Hx_b y Modelo Observação Número de parâmetros= 107 Observações= 105_.

Dados externos Produto final Estimativa inicial da atmosfera Estado inicial da atmosfera Rodada cíclica Modelo de Circulação Geral Sistema de assimilação

Sistema de assimilação de dados

Nomenclatura usual na meteorologia:

Método de interpolação ótima (Optimal interpolation) :

A solução é determinar a matriz W

Experimento de avaliação do impacto da

assimilação do IWV-GPS

• Modelo Global T213L42 • Resolução 63Km

• Controle: assimila os dados padrões do CPTEC;

• Experimento: além de conter os mesmo dados da rodada

controle tem também o IWV obtido através das estações GPS de superfície.

• Dados Processados pelo Laboratório de Geodésia Espacial da UNESP de Presidente Prudente SP:

Avaliação do desempenho com a

assimilação do IWV-GNSS

Impacto em outras variáveis na

América do Sul

Avaliação adequada de modelos de PNT

• Necessita-se:

– Uma ferramenta robusta;

– Métricas adequadas;

SCAMTEC: sistema de avaliação proposto

• Ferramenta de avaliação: – Baseada em Software livres; – Desenvolvida em Fortran – Programação estruturada; – Orientada à objeto;

– Flexibilidade com formatos de arquivos de dados e de

modelos (análise e previsão) ; – Facilidade de inclusão de

novas métricas;

SCAMTEC acrônimo de

Sistema de Avaliação de Modelos de TEmpo e Clima

Utilização do IWV GNSS na avaliação do desempenho de modelos;

• Valores do vapor d’água integrado na avaliação

do total de água disponível para precipitar.

Radiossondas

Desenvolvimento de módulos de leitura dos dados Rinex (trop e met).

Uma banco de dados on-line do CHUVA onde o usuários SCAMTEC conectados a internet baixa os dados e aplica as métricas para

Calibração de sensores de umidade:

valores do IWV AEROxINPE

Viés = -0.027 RMS = 1.222 DP = 1.222 N= 5355

GPS na Calibração de sensores de umidade em satélites

Tomografia do IWV usando

rede densa GPS



SW

D

IWVS



Os dados GPS coletados na campanha de Belém permitirão o estudo para a

obtenção da tomografia do vapor d’água atmosférico.

Aplicação GPS para inferir mudanças

na umidade no solo.

• Por uma técnica denominada Reflectometria interferométrica por GPS é possível através da

modelagem direta e inversa do multicaminho obter um monitoramento do meio ambiente nos arredores de uma antena GPS, tais como:

– Mudanças na umidade do solo, – Acúmulo e derretimento da neve; – Crescimento da vegetação.

• Artigo recomendado:

– Kristine M. Larson; Eric E. Small; Ethan Gutmann; Andria Bilich; Penina Axelrad; John Braun. 2008. Using GPS multipath to

measure soil moisture fluctuations: initial results. GPS Solut (2008) 12:173–177.

Series temporal do IWV e

precipitação

Estudo da variabilidade temporal da umidade em períodos que antecedem fortes tempestades, bem como durante e

posteriormente a sua ocorrência, visando identificar possíveis padrões de oscilações que podem ser utilizados como alertas em previsões por nowcast;

Séries do IWV-GPS e

processos convectivos

Estudos do comportamento das séries temporais do IWV durante eventos convectivos ao associar as mesmas com valores de perfis de pressão

temperatura e vento;

Frente de trabalho liderado por David Adams da

Universidade Estadual do Amazonas.

Projetos GPS-Meteorology

Aproveitando as potencialidades do GPS na

meteorologia foram criados nos Estados Unidos:

– Projeto GPS/MET onde um satélite LEO com um receptor GPS foi lançado para viabilizar a técnica de radio

ocultação;

– Projeto COSMIC (Constellation Observing Meteorology,

Ionosphere and Climate) (em conjunto com Taiwan);

– Projeto SUOMINET (Real-Time National

GPS Network for Atmospheric Research and Education);

– Esses e outros projetos integram um projeto maior denominado GENESIS (GPS Environmental & Earth Science

Projetos GPS-Meteorology

• Na Europa dois projetos merecem destaque:

– GASP (GPS Atmosphere Sounding

Project) na Alemanha

– COST-716 (European Co-operation in

– the Field of Scientific and Tecnical

– Research 716) envolvendo 15

Projetos GPS-Meteorology

Principais objetivos:

•Criar um sistema de informação da distribuição do IWV;

•A utilização desse sistema de

informação para minimizar o efeito da troposfera no posicionamento com GPS;

•Construir uma base de dados

nacional contendo informações do

Redes GPS disponíveis no Brasil

e futura densificação.

Projetos e agências relacionados (cores no mapa)

Rede Brasileira de Monitoramente

Continuo (IBGE-INCRA): 67 estações;

Rede do estado de São Paulo (temático FAPESP): 11 estações;

Projeto SIPEC Geofísica INPE (Petrobras-INPE): 85 estações;

Total 163 estações a serem disponíveis.

Comentários/dúvidas/discussão...

http://chuvaproject.cptec.inpe.br/portal/br/