ACA0413
Meteorologia Por Satélite
Sondagens Atmosféricas
por Satélites
➔
O uso operacional de satélites despertou o interesse dos
meteorologistas em obter dados da atmosfera mesmo em
condições de céu nublado.
➔
Em
1978
foi lançado, a bordo do satélite TIROS-N,
o primeiro
sensor capaz de produzir um perfil de temperatura da troposfera
e da baixa estratosfera
, o MSU (Microwave Sounder Unit).
➔
Desde
1998
, uma versão incrementada do MSU passou a ser
usada em satélites de órbita polar, o
AMSU (Advanced
Microwave Sounder Unit)
. Seus dados proporcionam perfis
verticais de temperatura e umidade relativa, que são
extensivamente incorporados a modelos de previsão numérica.
● Sondagens de temperatura e umidade atmosférica fornecem informações
importantes para a previsão de tempo e monitoramento das mudanças climáticas;
● Sondagens atmosféricas (balões) como fontes primárias
Fontes de dados observacionais
Durre, I., R. S. Vose and D. B. Wuertz. 2006: Overview of the Integrated Global Radiosonde Archive. Journal of Climate: Vol. 19, No. 1, pp. 53-68.
Distribuição Global da Rede de Radiossondas
➔ Baixa densidade (espacial e temporal) de observações
Trajetória associada a passagem de um único satélite polar
durante 6 horas
Fontes de dados observacionais
Trajetória associada a passagem de 3 satélites de orbita polar
durante 6 horas
Fontes de dados observacionais
Vantagens Desvantagens
GEO - ampla cobertura regional - cobertura global limitada por único satélite
- alta resolução temporal - moderada resolução espacial (VIS/IR)
> previsão de curto prazo > 5-10 km para VIS/IR (nowcasting) > maior ainda para MW > tracking (motion vectors)
> ciclo diurno (convecção)
LEO - cobertura global por único satélite - baixa resolução temporal
- alta resolução espacial
➔
Os radiômetros a bordo de satélites podem ser subdivididos em duas
classes:
os imageadores
e
os sondadores.
➔
Sensores imageadores se baseiam em medidas de radiância solar
(refletida pela atmosfera ou superfície)
e de radiância no
infravermelho
(emitida pela atmosfera ou superfície).
➔
Os
sondadores verticais da atmosfera provêm perfis verticais de
temperatura, pressão de vapor d’água e alguns gases traço
presentes na atmosfera, que são extensivamente incorporados a
modelos de previsão numérica.
➔
São
sensores passivos
que fazem medidas em
diferentes canais
das
regiões espectrais do
infravermelho e/ou das microondas
.
Fontes de dados observacionais
IMAGEADOR
• Banda espectral larga • Pixels alta resolução
• Observação estrutura horizontal • Alta resolução temporal
• Pequena absorção (com exceção pelas nuvens)
SONDADOR
• Banda espectral estreita
• Pixels maiores (menor resolução) • Observação em diferentes altitude • Baixa resolução temporal
• Forte absorção pelos gases atmosféricos
D. Klaes
19 bandas espectrais do sondador GOES - 12
{10 UT 05 Oct 2006 – 20 UT 06 Oct 2006}
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
+ + + + ... Função de Planck Absorção da atmosferaOutras contribuições para a Radiância medida
Nossa descrição da atmosfera Observado pelo
satélite
Equação da transferência radiativa
Radiância no topo da atmosfera na frequência v Emissão da superfície Reflexão da
superfície Nuvens/Chuva
Com a seleção da radiação em diferentes frequências ou CANAIS os
instrumentos dos satélites podem fornecer informações sobre variáveis geofísicas específicas em diferentes regiões da atmosfera.
Em geral, as frequências/canais usados na PNT podem ser considerados em dois tipos:
a) Canais de sondagem atmosférica.
b) Canais sensíveis à superfície
Radiâncias são medidas por sensores a bordo de satélite
em diferentes frequências (canais).
Canais de sondagem estão localizados em partes do espectro do
infra-vermelho e do microondas . A principal contribuição da radiância medida por estes canais é da atmosfera, a qual pode ser descrita pela equação:
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
Onde: B=Função de Planck t = transmitância T = temperatura z = coordenada da alturaEstes são usados para obter informações sobre temperatura e umidade atmosféricas (ou outros constituintes que influenciam a transmitância, ex.: CO2).
Canais com frequências/comprimento de onda para as quais a radiação da superfície e de nuvens são importantes são evitados.
Observações de Radiância em diferentes frequências (Canais)
a) Canais de sondagens atmosféricas
Canais de sondagens atmosféricas sem a contribuição a partir da superfície
1. ATMOSPHERIC SOUNDING CHANNELS
Observações de Radiância em diferentes freqüências (Canais)
a) Canais de sondagens atmosféricas
19 bandas espectrais do sondador GOES - 12
{10 UT 05 Oct 2006 – 20 UT 06 Oct 2006}
AMSUA-channel 5 (53GHz)
Exemplo de Canais de sondagens
atmosféricas
Observações de Radiância em diferentes freqüências (Canais)
a) Canais de sondagens atmosféricas
SSM/I channel 7 (89GHz)
HIRS channel 8 (11microns)
b) Canais sensíveis à superfície
Observações de Radiância em diferentes freqüências (Canais)
b) Canais sensíveis à superfície (instrumento passivo)
Exemplo de Canais de sensíveis à superfície
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
+ + + + ... Função de Planck Absorção da atmosferaOutras contribuições para a Radiância medida
Nossa descrição da atmosfera Medição pelo satélite
Equação da transferência radiativa
“Problema inverso” “Problema direto” Radiância no topo da atmosfera na frequência v
Radiância no topo da atmosfera
Emissão da superfície
Reflexão da
superfície Nuvens/Chuva
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
Sondagem atmosférica
Assumindo que: Em que, K(z) =
dz
d
Considerando que os absorvedores principais são os gases (e.g. oxigênio ou CO2) com concentrações conhecidas, a radiância medida é essencialmente:
dz
z
K
z
T
B
L
0(
,
(
))
(
)
)
(
Em que K(z) conhecida por FUNÇÃO PESO (ou Kernel )
Contribuição da superfície para a radiância emergente
Contribuição da atmosfera para a radiância emergente R ad iâ nc ia C om pr im en to d e on da Emissividade da superfície Temperatura da Superfície equivalente (Planck) Transmitância da Sup. & Pressão
da Sup. Perfil de Temp. equivalente (Planck) Derivada da transmitância atmosférica em relação a pressão Mudança na pressão
Equação de Transferência Radiativa
© The COMET Program
Radiância no Satélite =
(radiância de corpo negro na superfície*emissividade na superfície*transmitância na atmosfera) + contribuição atmosférica de muitas camadas.
Contribuiçao da superfície para a radiância emergente
Contribuição da atmosfera para a radiância emergente
Equação de Transferência Radiativa
Função Peso
A
ltu
ra
Função Peso
Contribuição da atmosfera para a radiância emergente
Contribuição do topo da Atmosfera
Contribuição dos níveis médios da Atmosfera (Valor de pico da Função peso)
Contribuição dos níveis baixos da Atmosfera
Função Peso
➔
Derivada a partir da variação vertical da transmitância.
➔
Contribuição para a obtenção de informações em vários
níveis da atmosfera.
➔
Determina a camada da atmosfera que é detectada por um
dado canal do espectro.
➔
O pico ocorre no nível de pressão que fornece a maior
contribuição detectado pelo satélite.
➔
As contribuições dos canais espectrais individuais vêm de
FUNÇÕES PESO IDEAL
K(z) z
Se a função peso fosse uma função delta, significaria que a radiância medida é
sensível a temperatura de um único nível da atmosfera.
K(z) z
Se a função peso fosse uma função quadrada, significaria que a radiância seria sensível a temperatura entre dois níveis discretos.
absorção
E T950 hPa EFUNÇÕES PESO K(z)
Souza et al,absorção
E T500 hPa EFUNÇÕES PESO K(z)
Souza et al,absorção
EFUNÇÕES PESO K(z)
T200 hPa E Souza et al,Funções peso reais ...
AMSUA 15 channels HIRS 19 channels AIRS 2378 IASI 8461Regiões de Absorção do CO
2, H
2O, e O
3A grande absorção pelos gases ocorre perto do centro de uma região de absorção Isto corresponde geralmente a temperaturas de brilho mais frias, indicando que a
energia está sendo emitida a partir de níveis mais elevados da troposfera.
Funções Peso para 2 pontos: canais CO2
(1-5) úmido e seco
Funções Peso para 2 pontos: canais H2O
(10-12) úmido e seco
A equa
ção de Transferência Radiativa
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
+ Emissão da superfície + Reflexão da superfície + nuvens“problema direto”
A equa
ção de Transferência Radiativa
dz
dz
d
z
T
B
L
0)
(
))
(
,
(
)
(
+ Emissão da superfície + Reflexão da superfície + nuvens“problema direto”
“problema inverso”
Métodos de Estimativa
(Retrievals)
Dado um conjunto de radiâncias observadas, qual é o perfil
de temperatura?
Este é chamado problema inverso.
Há três abordagens gerais para os retrievals:
Estimativas físicas
Estimativas estatísticas
Estimativas híbridas
Métodos de Estimativa
(Retrievals)
Físicos:
se tenta ajustar a solução matemática através de um
processo iterativo de busca até que haja uma concordância
entre as radiâncias calculadas e observadas;
Estatísticos:
encontrar um operador que permita estabelecer
uma correspondência direta entre os dados observados
(radiâncias) e os parâmetros desconhecidos do problema
(perfis);
Híbridos:
físico + estatístico
Métodos de Inferência: Modelo Físico
Condição Inicial
Firstguess (Ti,qi...) Calculo de K(z)
Modelo de TR Bobs
B= |Bmod (Ti, qi)-Bobs |
B<B
Bmod(Ti, qi)
B > B Ti, qi.... Solução
Ti=Ti±T, qi=qi±q
Se conhecessemos todo o perfil de temperatura atmosférica T(z), então poderíamos calcular (exclusivamente) a radiância medida por um instrumento de sondagem usando a equação de transferência radiativa. Isso é conhecido como
problema direto.
Para extrair ou recuperar (retrieve) o perfil de temperatura atmosférica de um conjunto de radiâncias medidas é preciso resolver o que é conhecido como
problema inverso.
Infelizmente, como as funções peso são geralmente largas (vários km em altura) e, além disso, temos um número limitado de canais, o problema inverso é formalmente mal posto, porque um número infinito de diferentes perfis de temperatura poderia dar a mesma medida de radiância.
Referência: Rodgers 1976 Retrieval of atmospheric temperature and composition from remote measurements of thermal radiation. Rev. Geophys.Space. Phys. 14, 609-624
Extraindo temperatura atmosférica a
partir de medidas de radiâncias
Exemplo: Determinação do perfil de
temperatura na região de absorção do CO2
● Radiância para o espaço perto do centro
da região de absorção (14.7 micrômetros) geralmente corresponde a temperaturas de brilho por satélite mais frias.
● Distância a partir do centro de uma região
de absorção, as temperaturas de brilho aumentam à medida que a absorção pelos gases diminuem, e a radiação da baixa troposfera atinge o satélite.
● Ao selecionar vários canais espectrais
entre o centro e "asa" de uma região de absorção, a atmosfera pode ser sondado em diferentes profundidades
• A Radiância é uma média de uma camada profunda, muitas vezes se sobrepõem a outras camadas;
• As Observacões de Radiâncias (em diferentes canais) NÃO são independentes uma da outra;
• É difícil separar os efeitos das variações de temperatura e de vapor
d’água no sinal de radiação;
• Não há uma relação única entre o espectro de radiação emergente e os perfis de temperatura e umidade do ar;
• As temperaturas são não-linearmente introduzidas na função de Planck (mas aproximações lineares são frequentemente utilizadas);
• As observações de Radiância possuem erros, causados por erros de instrumento, erros de amostragem, interferência de nuvens e erros na estimativa das funções de ponderação;
• Devido a todos esses fatores, há um número infinito de perfis de temperatura em que todos satisfaçam as irradiações observadas dentro de suas barras de erro. Assim, devem ser utilizadas estimativas estatísticas;
• Para ajudar a escolher o melhor perfil, um bom chute inicial (first
guess) e condições de contorno são críticos;
• Sondagens estimadas por satélite são mais úteis em regiões onde faltam outras observações insitu (ex. sobre os oceanos), mas em tais regiões é difícil fornecer um bom chute inicial. Muitas vezes, as modelos numéricos de previsões meteorológicas são utilizados para estimar o chute incial, mas tais previsões costumam desviar-se de forma bastante significativa da realidade sobre os oceanos (baixa densidade de dados).
➔
Sondagem a partir de satélites geoestacionários
Embora haja sondadores presentes em satélites geoestacionários,
como o GOES 8 e 9, a grande maioria desses sensores está a bordo de
satélites de órbita polar.
Os produtos de sondagem derivados a partir de satélites
geoestacionários apresentam grandes limitações:
➔
baixa resolução espacial
➔baixa resolução vertical
De acordo com pesquisadores da NOAA e da NASA, grandes melhorias
nesses produtos estão em desenvolvimento para implantação na nova
série de satélites GOES, a GOES-R. A nova técnica, chamada de
hiperespectral (já usada em satélites de órbita polar), fará observações
em diversos canais para a produção de sondagens.
Lifted Index
CAPE
Convective Inhibition
Total Precipitable Water
Surface Skin Temperature
Water vapor winds
Sondagens GOES e os Produtos
Derivados das Imagens
Total Água Precipitável
●
Utiliza a técnica "split window" para
determinar a umidade da camada limite
(diferença 11.0 – 12.0 micrômetros), e os 3
canais "vapor d'água" (6.5, 7.0, 7.5
micrômetros) para umidade na média
troposfera.
Índice de Levantamento (Lifted)
●
Utiliza retrievals de perfis de temperatura e
umidade.
●
Parcela é levantada mecanicamente a
partir do nível de 1000 mb até o nível de
500 mb.
●
Aplicações operacionais: potencial
convectivo; morfologia convectiva.
Valores negativos – massa de ar instável Valores positivos – massa de ar estável
Temperatura da Superfície
●
Utiliza canais de ondas longas no
infravermelho janela (11.0, 12.0
micrômetros), canais de ondas curtas (3.8
micrômetros) na noite.
●
Aplicações operacionais: previsão de
nevoeiro; previsão de temperatura
geada/congelamento; destacar as regiões de
aquecimento diferencial.
Pressão no Topo da Nuvem
●
Utiliza canais de ondas longas no IR janela
(11.0, 12.0 micrômetros), e canais de CO
2(13.4, 13.9, 14.1 micrômetros).
●
Utiliza o canal visível e/ou canal IR de
ondas curtas (4.0 micrômetros) para
"clearing cloud”.
●
Aplicações operacionais: ASOS adicionais;
Sondagens GOES e os Produtos
Derivados das Imagens
–
Vantagens:
●
Produtos de hora em hora
●
Mostra as tendências, gradientes e advecção
●
Indica instabilidade antes da nuvem se desenvolver
●Uma boa seleção contra a modelos
Desvantagens:
●
Baixa resolução vertical
●
Nuvens evitam os perfis de recuperação
●
Potencial para convecção elevado não diagnosticada
●
A disponibilidade do produto não é feita a tempo (~ 1 hora
após hora válida)
●
Cobertura limitada
Em 2002 foi lançado, no satélite Aqua, um conjunto de três sensores usados para estimativas de perfil vertical de temperatura e umidade na atmosfera. São eles:
i. AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), que cobre o intervalo espectral de 3,7 a 15,4
μm, com medidas em 2378 canais;
ii. AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), operando de 23 a 89 GHz, com
medidas em 15 canais;
iii. HSB (Humidity Sounder for Brazil), com medidas em quatro canais do intervalo entre
150 a 190 GHz. A sinergia desses sensores permitiu que perfis verticais de umidade e temperatura passassem a ser estimados em situações com até 80% de nebulosidade.
Sondagem vertical da atmosfera por satélites
Satélites TIROS-NOAA
• ...
• NOAA-14
• NOAA-15
• NOAA-16
• NOAA 17
• NOAA 18
• NOAA-19
• Metop
• NPP
Sensores
IASI
AMSU-A
MHS
HIRS/4
AVHRR/3
Campo de visão (FOV - Fields Of View) dos Instrumentos
Principais Sondadores meteorológicos: NOAA (polar)
10 km
15 km
45 km
Sensores / satélite
AVHRR
Advanced Very High Resolution Radiometer
Utilizado para aquisição de imagens globais de nuvens, oceano e terra
com a resolução de 1.1km no nadir.
AMSU-A
Advanced Microwave Sounding Unit
Medida global da temperatura na atmosfera com alta resolução vertical
MHS
Microwave Humidity Sounder
Medida global da humidade na atmosfera
HIRS
High Resolution Infrared Sounder
Qual razão de usar as frequências de microonda
Microondas: freqüência 20 – 200 GHz (1cm– 1mm)
O efeito da absorção das nuvens no campo de visada do satélite pode ser geralmente
negligenciados.
Principais absorvedores são oxigênio e a água (chuva pode causar espalhamento e absorção. Maior número de observações é usada:
Infra-red: casos de cloud-free ~20% dados Mw: ~90% dados
O principal sondador de microondas é o radiômetro AMSU com 20 Canais a bordo dos satélites da série NOAA e MetOp.
Sensores
• Apresentam centenas de canais espectrais, permitindo observar
novas características da atmosfera da Terra.
– Alta resolução vertical dos perfis de temperatura e umidade – Gases de efeito estufa. Poluição atmosférica.
– Melhoria nas estimativas de perfis próximo a superfície. • Sondador hiper-espectrais :
– AIRS/ AQUA (NASA) – primeiro sondador 2002- 2009 >>
– Novos: IASI/ Metop (EUMETSAT) – 2006 - 2020 – Nova geração CRIS/NPP – 2010 - 2020
• No presente momento apenas sondadores a bordo de satélites de
orbita polar.
– Possivelmente em 2020 a bordo de um satélite GEO.
Sensores Hiperespectrais
Polar Satellite Products for the Operational
Forecaster (POES) - Microondas
●
19 – 200 GHz observados pelo SSM/I e AMSU.
●
Frequências abaixo de 200 GHz
são relativamente
insensíveis às nuvens do tipo cirrus
.
●
Frequências abaixo de 50 GHz
se encontram dentro
de uma região da janela atmosférica e são
principalmente
sensíveis à emissão de vapor de
água, nuvens, precipitação e características da
superfície.
Espectro Microondas e locais dos canais
AMSU-A AMSU-B
Canais Frequências (GHz) e Polarizações Frequências (GHz) e Polarizações 1 23.8 R 89.0R 2 31.4R 157.0R 3 50.3R 183.3 +/- 1R 4 52.8R 183.3 +/- 3R 5 53.6R 183.3 +/- 7R 6 54.4R 7 54.9R 8 55.5R 9 57.2R 10 57.29 +/- .217R 11 57.29 +/- .322 +/- .048R 12 57.29 +/- .322 +/- .022R 13 57.29 +/- .322 +/- .010R 14 57.29 +/- .322 +/- .0045R 15 89.0RNotation: x±y±z; x is the
center frequency. If y appears, the center frequency is not sensed, but two bands, one on either side of the center frequency, are sensed; y is the
distance from the center frequency to the center of the two pass bands. If z appears, it is the width of the two pass bands.
Polarization: R = rotates with scan angle.
Total Água Precipitável a partir
do AMSU e SSMI
3 canais centrados em 183 GHz
para sondagens de umidade (TPW)
23GHz para TPW
Funções Peso para AMSU – B
Stan Kidder’s AMSU web page at CIRA: http://amsu.cira.colostate.edu/
Note: AMSU-B channels 1-5 are often referred to as AMSU channels 16-20.
C3 183.3 +/- 1R GHz C4 183.3 +/- 3R GHz C5 183.3 +/- 7R GHz
Produtos AMSU
●
Total Água Precipitável (TPW)
●
Água Líquida de Nuvem (CLW)
●
Taxa de precipitação
●
Cobertura de gelo e neve
TPW
CLW
Rain rate
Snow cover
Ozone hole formation over south pole, 9/1 to 12/4, 2014
Referências Bibliográficas
http://www.meted.ucar.edu/satmet/hyperspectral/sounding_benefits_v2/print.php Notas de aula de Sensoriamento Remoto PGMet/INPE - Sondagem Atmosférica via SR – Dra. Simone Sievert da Costa. (disponível link aulas)
Notas de aula Meteorological Sounders CIRA/NOAA-RAMMT – Dr. Bernie Connel. (disponível link aulas)
Notas de aula Sondagem vertical da atmosfera IAG/USP – Dra. Márcia Akemi Yamasoe(disponível link aulas)
Liou, K. N. An Introduction to Atmospheric Radiation. Second edition. San Diego, Califórnia. International Geophysics Series, vol. 84. Pg. 383-385 e 387-391, 2002. WALLACE, J. M.; HOBBS, P. V. Atmospheric Science: An Introductory Survey: 2nd edition. [S.l.]: Academic Press, 2006. 483 p.
