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Medição de Parâmetros de Agitação Marítima Ana Margarida Gonçalves MÉTODOS EXPERIMENTAIS em ENERGIA e AMBIENTE.

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1 Medição de Parâmetros de Agitação Marítima Ana Margarida Gonçalves MÉTODOS EXPERIMENTAIS em ENERGIA e AMBIENTE

2 Enquadramento e Objectivos
ENERGIA DAS ONDAS MARÍTIMAS Avaliação do recurso energético das ondas marítimas a partir de medições efectuadas por: Bóia Ondógrafo Radar Altímetro Para a avaliação do clima de ondas e caracterização do recurso energético das ondas marítimas é necessário dispor de parâmetros referentes à altura e período das ondas.

3 PARÂMETROS DE AGITAÇÃO MARÍTIMA
Comprimento de onda Amplitude da onda ESPECTRO DE FREQUÊNCIA MOMENTO ESPECTRAL DE ORDEM n ALTURA SIGNIFICATIVA PERÍODO MÉDIO DE CRUZAMENTO DE ZEROS A informação contida no espectro é geralmente condensada em parâmetros de altura e período. A Hs é definida através do momento de ordem zero a média do terço superior das ondas e é praticamente coincidente com a altura estimada visualmente por um observador. Para caracterizar o período das ondas do mar existe vários parâmetros, os mais utilizados na avaliação do recurso energético são: Tz define-se através do m0 e m2, representa a média de cruzamento de zeros ascendentes ou descendentes consecutivos. Te define-se através do m0 e m-1, representa a média pesada de T pela distribuição da densidade espectral. Depende da banda das baixas frequências do espectro, onde está concentrada a maior parte da energia. Torna-se assim um parâmetro de período mais estável q o Tz pois a dependência deste de m-2 faz com que seja mto sensível á cauda do espectro que apresenta maior variabilidade e tem reduzido conteúdo energético. A potência de agitação marítima que se define para águas profundas O produto entre o Hs ao quadrado e o Te expressa em kW/m ou Mw/m Representa o fluxo de energia por unidade de comprimento da frente de onda.) PERÍODO MÉDIO DE ENERGIA POTÊNCIA DE AGITAÇÃO MARÍTIMA Águas Profundas

4 Waverider (1968) – DATAWELL
Bóia Ondógrafo Waverider (1968) – DATAWELL Segue os movimentos da superfície do mar. -Amplitude das oscilações da superfície do mar. -Aço inoxidável . -0.7 a 0.9 m de diâmetro. - Sistema de amarração inclui um cordão de borracha capaz de esticar até 3 vezes o seu comprimento. - 1.5% de erro máximo nas medicões. Triângulo Anti-Spin: passagem de navios transporte Bóia ondográfo Waverider: São fabricada pela empresa Holandesa DATAWELL desde 1968 e já foram vendidas mais de 5000 bóias É uma bóia que segue os movimentos da superfície do mar medindo a altura das ondas. É composta por um sistema de amarração q inclui um pedaço de cordão de borracha capaz de esticar até 3 vezes o seu comprimento . Esta flexibilidade da amarração permite o Waverider seguir mais facilmente as flutuações da superfície do mar. A tensão no cabo da amarração varia provocando por vezes uma imersão da bóia. Os erros introduzidos nas medições devidos a esta variaçãosã < a 1.5%. Triângulo Anti-Spin: A instalação de um triângulo é altamente recomendável para reduzir o risco da bóia enviusamento causados pela passagem de navios , e problemas de transporte. São instaladas em locais seleccionados. topo das bóias são pintados de amarelo têm uma luz de navegação para serem vistas à noite. Bóia ondográfo Waverider:

5 Waverider não direccional
Bóia Ondógrafo Waverider não direccional Movimentos verticais da bóia - registos da elevação da superfície livre -Altura e Período das ondas Ondas com períodos de 1.6s - 30s, > a bóia deixa de acompanhar o mov. a superfície do mar; < resposta lenta . acelerómetro Existem 2 tipos de bóias utilizadas para a medição de dados de agitação marítima: Bóia waverider não direccional: tem a capacidade de registar os movimentos verticais da superfície do mar produzindo registos da elevação da sup. livre. No interior da bóia encontra-se um acelerometro montado numa plataforma horizontal estabilizada e suspensa numa esfera cheia de fluido, para evitar a medição de acelerações não desejadas. O acelerometro mede a aceleração vertical. Os circuitos electrónicos da bóia convertem por dupla integração o sinal da aceleração em deslocamentos que representam quantitativamente o movimento vertical que a bóia sofre. O sinal resultante irá ser transmitido via rádio p uma estação costeira, onde é convertido num registo de elevação da superfície livre. Da análise deste registo obtêm-se alturas e períodos de ondas. A electrónica da bóia e a luz são alimentadas por baterias q podem durar até 12 meses.

6 Waverider direccional
Bóia Ondógrafo Waverider direccional 3 acelerómetros acelerações na vertical acelerações nos eixos N-S e E-W (pitch and roll) Altura das ondas Alcance: -20m – +20m Resolução:1 cm Direcção: Alcance: 0º - 360º Resolução: 0.5 º Temperatura da superfície do mar Alcance: -5ºc - +46ºC Resolução: 0.2 ºC Bóia waverider direccional Obtem altura das ondas Direcção temperatura da superfície do mar. Contêm dois acelerometros adicionais em relação à não direccional, para medir a aceleração nos eixos fixos Norte-Sul e Este-Oeste (pitch and roll). As 3 acelerações (vertical, N e O) são então interagas digitalmente por forma a obter deslocamentos.A informação combinada permite obter a direcção das ondas. Para evitar a medição de acelerações não desejadas a acompanhar os movimentos “pitch and roll”, tais como acelerações horizontais e o efeito da aceleração da gravidade, os acelerómetros são instalados em plataformas estabilizadas um período natural de 40s.

7 Bóia Ondógrafo Estação Ondógrafo Registo de Onda Processamento:
Bóia Direccional DATAWELL Receptor DIREC Computador com unidade de gravação Nível Médio 50 Km Processamento: Acelerómetro Acelerações verticais Dupla integração Elevações da sup.livre (sinal contínuo) Transmissão para Estação - transformação sinal discreto. Produz o Registo de Onda Análise Séries da elevação da sup. livre (método directo) Altura Significativa e Período das ondas Séries da elevação + Séries dos declives -análise espectral (Algoritmo FFT) S(f) e uma direcção médiapor banda de frequência 20 minutos Estações Ondógrafo DATAWELL: As elevações da superfície livre recolhidas num registo de ondas representam flutuações relativas da superfície do mar para um dado período. Há a necessidade de converter os valores de elevação obtidos em deslocamentos verticais em relação a um zero (bem como corrigir as variações devidas ao nível da maré). Assim é determinado um nível médio da superfície do mar calculado pelo método dos mínimos quadrados dos valores do registo de onda. Sendo assim todos os valores contidos no registo de onda aparecem referenciados a este nível médio. A Waverider transmite uma série contínua de valores da elevação da sup. para a estação receptora DIREC. Recebe: Para além dos valores digitalizados do deslocamento vertical da superfície, Valores dos senos dos ângulos entre o plano horizontal e os eixos da bóia. Esta informação é fornecida sob a forma discreta a um computador e armazenada em registos de onda (elevação) de 20 minutos (de forma a ser suficientemente grande o nº de ondas p análise mas suf. peq. para que o estado de agitação marítima não se altere). Registo de Onda: período de amostragem (espaçamento entre cada ponto (amostra) ) é constante 0.395 s ou 2.56Hz para as bóias não direccionais; E de 0.78 s ou 1.28 Hz para as bóias direccionais - pq estas tem mais informação. No caso das bóia utilizadas pelo IH a aquisiçaõ dos dados é efectuada de 3 em 3 horas (cond. normais) ou 30 em 30 cond. de temporal ( 5m Oeste, 3m Sul). No caso das bóias do SCRIPPS a aquisição é sp efectuada de 30 em 30 minutos. É baseada no conceito de q ondas mais pequenas (e menos significativas) deveram ser ignoradas nas observações uma vez q têm pouca influência. Processamento As séries de elevação da sup. livre são processadas pelo método directo (análise no tempo) - estimativas dos parâmetros característicos de agitação marítima - altura (Hs - define-se como sendo a média do terço superior das ondas num registo de onda de 20 minutos) e período de zeros ascendente. Estas mesmas séries de elevação junatamente com as 2 séries de declive são processadas pelo método espectral, utilizando-se o algoritmo simplificador de análise de Fourier FFT. Desta análise é obtido o espectro de variância das ondas. No entatno a informação obtida pela bóia apenas permite obter os 5 primeiros coeficientes de Fourier, pelo quie na prática se obtem apenas o espectro de frequência S(f) a uma distribuição direccional por frequência. Período de Amostragem: (Espaçamento entre amostras) 0.395 s (2.56Hz) - bóias não direccionais 0.78 s (1.28 Hz) - bóias direccionais

8 Radar Altímetro Transmite permanentemente impulsos na vertical
em alta frequência (mais de 1700 por segundo) na banda das micro-ondas (1 GHz GHz). O tempo de retorno permite calcular a distância entre o sensor e a superfície reflectora. Satélite Missão Período de repetição SEASAT 1978 17 dias GEOSAT ERS-1 35 dias ERS-2 T/P Início1992 10 dias ENVISAT Início 2002 JASON-1 Agência NASA US-NAVY ESA NASA/CNES

9 RADAR ALTÍMETRO CARACERÍSTICAS
TOPEX - TOPographic EXPeriment for ocean circulation NASA (Agência Espacial Norte Americana) POSEIDON - Deus Grego dos tremores de terra e da água CNES (Agência Espacial Francesa) CARACERÍSTICAS Órbita : quase polar não heliosíncrona Altítude: 1336 km Inclinação: 66º (eixo polar) Os dados obtidos de forma remota são provenientes do radar altímetro que se encontra a bordo do satélite TOPEX/Poseidon. Trata-se de um satélite com órbita quase polar não-heliosincrona, Encontra-se a uma altitude de cerca de 1330 km. Com uma inclinação de 66º em relação ao eixo polar,

10 RADAR ALTÍMETRO Cobertura: Período de repetição: 10 dias
66º N - 66º Sul TOPEX: dupla Fequência 13.6 GHz- Banda Ku 5.3 GHz - Banda C Poseidon: Período de repetição: 10 dias 5 dias na intersecção das passagens 127 revoluções ~ 254 Passagens Ascendentes e descendentes Equador km Têm um período de repetição de cerca de 10 dias isto é passa no mesmo sítio passados 10 dias. Durante os 10 dias efectua 127 revoluções = 254 passagens 1 passagem = meia revolução em torno do globo.

11 RADAR ALTÍMETRO R S TOPEX/POSEIDON SSH
DORIS (Doppler Orbitography and Radio Positioning Integratedby Satellite ): Localiza o satélite em orbita em relação ao elipsóide de referência (raio equatorial = 6378 km). Laser Sation: Calibração sistemas de localização. GPS: coordenadas do satélite S (Altura do Satélite): Distância entre o centro de massa do satélite e o elipsóide de referência. R (Distância Altimétrica): do satélite e a sup. superfície do mar SSH (Altura da Superfície do Mar): Distância entre a sup. do mar e o elipsóide de referência. SSH=S-R RADAR ALTÍMETRO TOPEX/POSEIDON R S DORIS: Sistema para exactamente a orbita do satélite. Laser Station: GPS: Elipsoide: forma não esférica da terra achatada nos pólos. Permite medidas homogéneas e precisas uma vez que o fundo do mar não é conhecido com precisão em todos os locais. Geoide: SSH

12 com uma certa espessura Área iluminada pelo impulso
PARÂMETROS DE ONDAS ALTÍMETRO TOPEX/Poseidon Altura significativa (m) Impulso do Altímetro com uma certa espessura Pegada (Footprint) Área iluminada pelo impulso (Walsh, 1979) Potência Relativa do Impulso de Retorno em função do tempo I II III IV Os parâmetros obtidos pelo T/P são a Hs- estimativa a partir do declive do impulso de retorno que resulta impacto do impulso emitido, pelo altímetro na superfície do oceano. Baseia-se no facto de um mar com ondas maiores aumentar o intervalo de tempo que o impulso de retorno leva a chegar à antena. Figura 1: representa 4 instantes diferentes. – Onda Plana I – o impulso ainda não atingiu a superfície do mar II - O bordo do impulso inferior atingiu a superfície do mar III- O bordo superior do impulso atingiu a superfície do mar. O círculo corresponde à área iluminada pelo impulso, cujo o raio vai aumentando com o tempo. Nesta altura o círculo atingiu a sua dimensão máxima. IV – A parte iluminada corresponde a um anel de área constante. Gráfico: A forma do impulso de retorno permite estimar a altura significativa. Isto é, ondas com maior altura aumentam o tempo de retorno q o impulso leva a chegar à antena. Ondas mais altas, com maior altura significativa, davam origem ao aumento do declive no gráfico. Na presença de ondas as áreas ilumimadas pelo impulso emitido são descontínuas. No entanto a área total que contribui para o sinal de retorno é a mesma que no caso anterior. A presença de ondas distribui por uma região maior, as áreas que contribuem para a área total. A altura significativa final é a média de 10 valores. Que aparecem com intervalos de 1 segundo. Figura 2: Em Baixo: caso de uma onda com 2m de altura e 200m de c.d.o. As áreas iluminadas pelo impulso emitido (bordo anterior e posterior) são descontínuas. No entanto a área que contruibui para o sinal de retorno é a mesma que no caso da sup. plana O Facto de existerem ondas apenas distribui as áreas q contruibuem para o sinal por uma zona maior. Em Cima: superfície plana Eixo - 1 km 1 - O bordo anterior do impulso atingiu o nível do mar; m abaixo do nível do mar; m abaixo do nível do mar; m abaixo do nível do mar.

13 PARÂMETROS DE ONDAS ALTÍMETRO
Coef. de Retrodispersão – dB Secção eficaz de retrodispersão normalizada pela área da pegada Intensidade do Vento – m/s Intensidade do impulso de retorno - Ajustes lineares a partir de obs. Carter et al., 1992; krogstad eBarstow, 1999 Algoritmo de DAVIES et al., (1998) Pseudo idade das ondas Período característico coef. de retrodispersão Topex 7<sig0<30dB 7<sig0<25dB Transmitância da atmosfera Altura do satélite Ganho da antena do satélite Comp. De onda do Impulso Potência recebida na antena Potência transmitida Medida da rugosidade da superfície do mar, está relacionada com ondas de pequeno comprimento de onda q resultam da acção do vento na sup. do oceano. Rugosidade elevada – a radiação retrodispersa em direcção ao satélite é menor – a P do impulso de retorno é maior.U10: U10 está fortemente relacionado com Hs e Sig0 – Procura-se estimar a vel. Do vento a partir deste, para isso têm sido propstos algoritmos 0< U10<25 m/s cálculo de Tz Embora os altímetros não produzam informação relativa ao período das ondas, têm sido propostos alguns algoritmos, nomeadamente o algoritmo de Davies. Trata-se de um modelo empírico quadrático, os coeficientes foram obtidos a partir de dados de bóias de NDBC. cálculo de Te Cálculo de Te é efectuado a partir de um ajuste linear entre Te e Tz determinado a partir de dados de bóia para os locais em estudo. Período de Energia Potência de Agitação Marítima

14 VANTAGENS e DESVANTAGENS
Bóia Altímetro Cobertura Espacial Selecção de Locais Riscos de Destruíção Informação do Período Informação Direccional Custos

15 REFERÊNCIAS http://cdip.ucsd.edu/
AVISO, 1999: Side B TOPEX altimeter evaluation. AVI-NT CN, Ed. 1.0, July. AVISO, 1996: Aviso User Handbook, Merged TOPEX/Poseidon Products (GDR-Ms). AVI-NT CN, 3rd Edition. CNES, Toulouse, France. Carter, D.J.T., P.G. Challenor e M.A. Srokosz, 1992: An Assessment of GEOSAT Wave Height and Wind Speed Measurement Wave Height and Wind Speed Measurement. J. Geophys. Res., 97, nº C7, , July 15. Davies, C.G., P.D. Cotton, Challenor e D.J. Carter, 1998: On the measurements of wave period from radar altimeters, ocean wave measurements and analysis, Proc. 3rd Int. Symp. Waves’97, ASCE, Reston, VA, pp Krogstad, H. E. e S. F. Barstow, 1999: Satellite wave measurements for coastal engineering applications. Coastal Engineering, 37, Moreira, N.M., 2001: Medição das Ondas do Mar com Radar Altímetro. Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Ciências Geofísicas, Especialização em Meteorologia. Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. 95 pp. Walsh, E.J., 1979: Extraction of ocean wave height and dominant wavelength from GEOS-3 altimeter data. J. Geophys. Res., 84, nº B8, , July 30.


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