Sensoriamento Remoto em Estudos Climáticos

Apresentação em tema: "Sensoriamento Remoto em Estudos Climáticos"— Transcrição da apresentação:

1 Sensoriamento Remoto em Estudos Climáticos
Autores: André Felipe David Boechat

2 Sensoriamento Remoto em Estudos Climáticos
Introdução Breve Histórico da Meteorologia Estações Meteorológicas Satélites Meteorológicos Plataforma de Coleta de Dados Análise de Dados e Previsão do Tempo Aplicação dos Dados Coletados

3 Introdução A importância da compreensão dos fenômenos climáticos
Grande volume de dados Estações meteorológicas Imagens de satélite Radar Aeronaves, navios e bóias oceânicas Necessidade de rapidez e agilidade Evitar ou minimizar prejuízos Diferença entre tempo e clima. Previsão do tempo = previsão diária do estado da atmosfera Clima = generalização ou integração das condições do tempo

4 Introdução Tempo X Clima Tempo : estado da atmosfera
Clima: integração das condições do tempo em certo período e certa área

5 Histórico Início da Meteorologia foi na Grécia Antiga com Aristóteles (IV a. C.) Primeiro passo significativo ocorreu com a criação do Barômetro em 1644 por Torricelli Telégrafo elétrico de Samuel Morse permitiu a reunião das informações das diversas estações meteorológicas A partir de Torricelli começou a se desenvolver o conceito de pressão atmosférica O aumento dos valores de pressão está relacionado ao movimento descendente do ar, inibindo a formação de nuvens. Ao contrário, a diminuição da pressão, está relacionada ao movimento ascendente do ar, permitindo a condensação do vapor d’água e a formação de nuvens. O telégrafo agilizou a coleta de dados Outro grande passo foi dado em agosto de 1853, com a Primeira Conferência Meteorológica Internacional, celebrada em Bruxelas. O grande foco desta Conferência foi a necessidade de padronização da forma de coleta e transmissão de informações meteorológicas, e da necessidade de cooperação internacional para disseminação destas informações, que começou a se concretizar de fato após 1873, com a realização do Primeiro Congresso Internacional em Viena.

6 Histórico Previsão do estado futuro da atmosfera ainda dependia da experiência do meteorologista (Previsão Subjetiva) Hoje os supercomputadores utilizam métodos numéricos precisos (Previsão Objetiva) Primeiro supercomputador no Brasil foi adquirido pelo INPE em 1994 No entanto, apesar de tudo isto, não se conseguia fazer previsões do tempo confiáveis com mais de um dia de antecedência. Os cálculos numéricos necessários para a previsão são extremamente complexos.

7 Estações Meteorológicas de Superfície
Destinam-se a avaliação do tempo presente Principais Instrumentos: Barômetro, Anemômetro e Pluviômetro Além dessas medidas o observador meteorológico relata condições gerais do tempo (visibilidade, nebulosidade, etc.) Locais destinados a realização das observações meteorológicas, para obtenção dos dados que caracterizam o estado presente da atmosfera. Anemômetro = medir direção e velocidade do vento.

8 Estações Meteorológicas de Altitude
Destinam-se a determinação da estrutura vertical da atmosfera Principais Instrumentos: radiossondas, sensores de temperatura, umidade e pressão Lançadas por balões, atingem até 40 Km de altitude

9 Satélites Meteorológicos
Podem ser classificados em três classes, de acordo com sua órbita: Geoestacionários Polares Tropicais Os satélites geoestacionários situam-se a uma distância aproximada de Km, necessária para que estes se movimentem junto com a Terra. Como estes satélites visualizam sempre a mesma face do nosso planeta, uma imagem completa de toda a Terra só é possível através da concatenação das imagens procedentes de diferentes satélites estrategicamente posicionados como ilustra a figura adiante. O sistema global de satélites meteorológicos, coordenado pelo CGMS (Coordination Group for Meteorological Satellites), corresponde a uma constelação mínima de cinco satélites de órbitas geoestacionárias e dois satélites de órbitas quase polares. O mesmo não ocorre com os satélites de órbita polar. Situados em órbitas tipicamente bem mais próximas da Terra (850 Km de distância), os satélites polares cruzam o globo terrestre de Pólo a Pólo, realizando uma volta completa em aproximadamente 100 minutos. Uma das características típicas destas órbitas é de normalmente serem heliosíncronas, isto é, fixas em relação ao plano do Sol.

10 Satélites Meteorológicos

11 Satélites Meteorológicos
As imagens são obtidas através de sensores de radiação em diversas faixas do espectro, tais como: faixa da luz visível; faixa de infravermelho e faixa de absorção de vapor d’ água microondas

12 Satélites Meteorológicos
a imagem da esquerda na figura foi obtida a partir do satélite geoestacionário GOES - 8 no canal 4 (Imagem Infravermelha de 10,3 a 11,3 µm). Nesta imagem verifica-se as nuanças de radiação térmica emitidas pela atmosfera e pela superfície da Terra. As regiões mais claras da imagem eqüivalem as regiões mais frias e normalmente estão associadas ao topo das nuvens mais altas. As partes mais escuras são associadas às nuvens médias e baixas, ou ao solo descoberto. As figuras abaixo, obtidas pelo mesmo satélite, utilizando as faixas infravermelha (esquerda) e visível (direita), praticamente ao mesmo tempo. A grosso modo podemos dizer que esta é uma fotografia preto e branco da Terra onde podemos observar claramente as nuvens e as nuances de luz produzidas pelo Sol. Faixa Infravermelha Faixa Visível

13 Satélites Meteorológicos
Informações derivadas das medidas de radiação: Temperatura e Umidade: TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder) – órbita polar SATEM – órbita geoestacionária Direção e Velocidade dos ventos SATOB – órbita geoestacionária TOVS (TIROS3 Operational Vertical Sonder) corresponde a medidas de radiação em diversas regiões do espectro. SATEM é semelhante ao TOVS, porém obtido por satélites geoestacionários. O SATOB, obtido exclusivamente por satélites geoestacionários, corresponde a dados de direção e velocidade dos ventos em vários níveis na atmosfera.

14 Satélites Meteorológicos
É importante salientar que estes são apenas alguns dos muitos tipos de dados obtidos através dos satélites para a previsão do tempo. Informações relativas à temperatura da superfície do mar, umidade do solo, entre outras derivados dos dados de satélites, são igualmente importante para previsão do tempo e clima. TOVS (NOAA – 14) SATOB (GOES – 8)

15 Plataforma de Coleta de Dados
Podem obter automaticamente quase todos os tipos de dados de uma estação convencional Sua utilização estende-se por áreas de difícil acesso (ex. Amazônia) Seus dados são transmitidos por satélites de coleta de dados As PCDs são estações meteorológicas capazes de automaticamente obter quase todos os tipos de dados obtidos por uma estação meteorológica de superfície convencional. Dotada de painel solar, dispensa o uso de energia elétrica. Os dados são transmitidos pelos satélites de coleta de dados (no Brasil, pelo SCD2 do INPE). Sua utilização estende-se nas áreas onde existem poucas estações meteorológicas convencionais, ou em áreas de difícil acesso como, por exemplo, a Amazônia.

16 Análise de Dados e Previsão do Tempo
A figura ilustra um recorte da análise dos campos de pressão do Modelo Global do CPTEC para as 0 horas GMT do dia 28/06/1999. Através desta análise verificam-se dois centros de alta pressão, um sobre o Sul da Argentina com pressões em torno de 1026 hPa, outro sobre o Atlântico (1023 hPa). Estes centros de pressão caracterizam grandes massas de ar. A primeira, sobre a Argentina, certamente possui temperaturas baixas e avança em direção à segunda, no Atlântico, onde as temperaturas são maiores. A região de confronto entre as duas é denominada região de frente, que neste caso, por caracterizar o avanço de massa de ar frio sob a massa de ar quente, corresponde a uma frente fria que atua sobre o Uruguai. Na região da frente, temos baixas pressões e grandes movimentos de ar úmido, que produzem grande quantidade de nuvens e chuva. Uma característica interessante dos centros de alta pressão é a circulação dos ventos em torno destes centros. No Hemisfério Sul, a circulação dos ventos ocorre no sentido anti-horário e no Hemisfério Norte, no sentido horário. Tal movimento é chamado de circulação anti-ciclônica, que em partes é decorrente do movimento de rotação da Terra. Nos centros de baixa pressão o movimento é invertido, isto é, horário no Hemisfério Sul e anti-horário no Hemisfério Norte, sendo também chamado de circulação ciclônica.

17 Análise de Dados e Previsão do Tempo
É o exemplo do ciclone situado no litoral sul da Argentina (figura acima), que apresenta valores de pressão inferiores a 986 hPa. Tal ciclone encontra-se ainda associado à frente fria sobre o Uruguai. Nesta figura, além dos campos de pressão estão sobrepostos os campos de precipitação acumulada no período. A Alta pressão do Atlântico estende-se por grande parte da Região Sudeste e Nordeste do Brasil, onde o tempo provavelmente permanece estável com poucas nuvens, exceto na região litorânea, compreendida entre o Estados da Paraíba e Rio Grande do Norte. Da mesma forma que foi gerada esta previsão, o Modelo Global do CPTEC gera previsões até 120 horas (6 dias). Deve-se, no entanto, observar que quanto mais longas forem as previsões do tempo, menos confiáveis elas serão. Além do Modelo Global, o CPTEC ainda disponibiliza os resultados do Modelo Regional ETA, que utiliza uma grade de resolução de cálculo de 40 x 40 Km de área para até 3 dias de previsão, portanto bem mais preciso que o modelo Global, que utiliza uma grade de 200 x 200 Km. As estações de Superfície, as imagens de satélites, as radiossondagens, junto com dados obtidos por navios, aviões e bóias integram a massa de dados para as previsões do tempo.

18 Aplicação dos Dados Coletados
Ventos: calcula-se a velocidade através da análise de imagens com intervalo de 30 minutos Precipitação: os sensores não medem diretamente a precipitação Temperatura da Superfície do Mar: aplicada nas atividades de pesca e conhecimento do padrão e circulação dos oceanos Inicialmente, a aplicação principal dos dados coletados pelos satélites meteorológicos, tinha como objetivo principal a observação dos deslocamentos dos sistemas frontais e o desenvolvimento de sistemas locais. Estas informações eram utilizadas para a análise subjetiva das condições meteorológicas predominantes em pequena ou grande escala. Com o desenvolvimento de softwares, diversas metodologias foram desenvolvidas para a aplicação das informações coletadas por estes satélites. Deve-se salientar a importância que os dados coletados por estes satélites têm para determinadas regiões, seja pela carência de uma rede de observações adequada ou por se encontrarem em regiões remotas (florestas, desertos, oceanos, etc).

19 Aplicação dos Dados Coletados
Ventos A metodologia de extração de ventos usando dados de satélites geoestacionários é realizada usando-se informações de duas imagens sucessivas (intervalo de 30 minutos). A velocidade do vento é estimada calculando-se o deslocamento da nuvem nas duas imagens e dividindo-se então pelo intervalo de tempo entre estas imagens. Eles são estimados para três níveis da atmosfera, alto, médio e baixo, sendo atribuída para cada nível uma cor para representá-los. Na figura, pode-se observar a velocidade do vento estimada usando-se esta metodologia.

20 Aplicação dos Dados Coletados
Precipitação A precipitação é outra variável que pode ser avaliada usando informações obtidas pelos diversos sensores a bordo dos satélites meteorológicos (que operam nas bandas do visível, infravermelho, e microondas). As técnicas que utilizam os dados dos sensores nas bandas do visível, infravermelho e microondas são denominadas de técnicas indiretas de avaliação da precipitação, pois estes sensores não medem diretamente a precipitação. Somente através do radar meteorológico, a bordo de satélite é possível avaliar diretamente a precipitação, o satélite TRMM no presente momento é o único que nos permite obter medidas diretas de precipitação. Na figura abaixo, podemos observar o campo de precipitação estimado usando informação do canal infravermelho do satélite GOES.

21 Aplicação dos Dados Coletados
Um produto de fundamental importância obtido através dos satélites meteorológicos são as sondagens atmosféricas. A sondagem da estrutura vertical da atmosfera nos fornece a variação dos campos de temperatura, umidade e vento, campos estes que são de fundamental importância no conhecimento da estabilidade da atmosfera. No Brasil, em somente algumas estações da rede de observação meteorológica, é feita uma única observação por dia. Esta carência de informações não nos permite o conhecimento preciso da estrutura vertical da atmosfera. Com os sensores HIRS (High Resolution Infrared Radiation Sounder) e AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), instalados a bordo dos satélites polares da série NOAA, podemos obter a variação dos campos de vento, temperatura e umidade na vertical. Nas figuras abaixo podemos observar o perfil vertical de temperatura e umidade para a cidade de Cuiabá, e os campos de temperatura e umidade obtidos com informações derivadas dos dados recebidos pelos sensores a bordo do satélite NOAA-14. Estes perfis verticais são de fundamental importância em meteorologia, pois eles nos permitem avaliar a estabilidade da atmosférica, ou seja, se existe a possibilidade do desenvolvimento de sistemas convectivos.

22 Aplicação dos Dados Coletados
Um produto de fundamental importância que pode ser obtido através de dados de sensores que operam no infravermelho e microonda é a temperatura da superfície do mar. Esta variável tem as mais diversas aplicações, seja nas atividades de pesca bem como no conhecimento do padrão de circulação dos oceanos. Na figura abaixo, podemos observar a variabilidade da temperatura da superfície do mar em escala global com os dados obtidos através dos satélites da série NOAA.

23 Previsão do Tempo Baseada, entre outros, em dados coletados de hora em hora nas estações meteorológicas de superfície, convencionais ou automáticas, espalhadas por todo o território nacional. Após esta coleta de dados (precipitação, ventos, umidade relativa do ar, pressão, etc) com o auxílio de supercomputadores faz-se uma simulação, através de modelos numéricos. Auxílio das imagens de satélites para elaborar a Previsão em curto prazo. Elas estão disponíveis em 3 canais: infravermelho visível vapor d´água. Existe também o Radar Meteorológico, que fornece as condições meteorológicas reinantes num espaço de tempo menor e também para uma área menor. Quem utiliza estas informações sobre o tempo? Agricultura: garantia de uma boa colheita Marinha: proteção aos seus marinheiros, navios e passageiros Aeronáutica: proteção e segurança de seus pilotos, aeronaves e passageiros Pescadores: condições favoráveis à pesca Turismo: garantia de um passeio e/ou viagem feliz e tranqüila

24 Estação Meteorológica
Anemógrafo - Registra continuamente a direção (em graus) e a velocidade instantânea do vento (em m/s), a distância total (em km) percorrida pelo vento com relação ao instrumento e as rajadas (em m/s). Anemômetro - Mede a velocidade do vento (em m/s) e, em alguns tipos, também a direção (em graus). Barógrafo - Registra continuamente a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio (mm Hg) ou em milibares (mb). Barômetro de Mercúrio - Mede a pressão atmosférica em coluna de milímetros de mercúrio (mm Hg) e em hectopascal (hPa). Evaporímetro de Piche - Mede a evaporação - em mililitro (ml) ou em milímetros de água evaporada - a partir de uma superfície porosa, mantida permanentemente umedecida por água. Heliógrafo - Registra a insolação ou a duração do brilho solar, em horas e décimos. Higrógrafo - Registra a umidade do ar, em valores relativos, expressos em porcentagem (%). Microbarógrafo - Registra continuamente a pressão atmosférica - em milímetros de mercúrio (mm Hg) ou em hectopascal (hPa), numa escala maior que a do Barógrafo, registrando as menores variações de pressão, o que lhe confere maior precisão. Piranógrafo - Registra continuamente as variações da intensidade da radiação solar global, em cal.cm­².mm­¹. Piranômetro - Mede a radiação solar global ou difusa, em cal.cm­².mm­¹. Pluviógrafo - Registra a quantidade de precipitação pluvial (chuva), em milímetros (mm). Pluviômetro - Mede a quantidade de precipitação pluvial (chuva), em milímetros (mm). Psicrômetro - Mede a umidade relativa do ar - de modo indireto - em porcentagem (%). Compõe-se de dois termômetros idênticos, um denominado termômetro de bulbo seco, e outro com o bulbo envolvido em gaze ou cadarço de algodão mantido constantemente molhado, denominado termômetro de bulbo úmido. Tanque Evaporimétrico Classe A - Mede a evaporação - em milímetros (mm) - numa superfície livre de água. Termógrafo - Registra a temperatura do ar, em graus Celsius (°C). Termohigrógrafo - Registra, simultaneamente, a temperatura (°C) e a umidade relativa do ar (%). Termômetros de Máxima e Mínima - Indicam as temperaturas máxima e mínima do ar (°C), ocorridas no dia. Termômetros de Solo - Indicam as temperaturas do solo, a diversas profundidades, em graus Celsius (°C).

25 Fenômenos Adversos Granizo - precipitação que se origina de nuvens convectivas, como cumulunimbus, e que cai em forma de bolas ou pedaços irregulares de gelo, quando os pedaços têm formatos e tamanhos diferentes. Pedaços com um diâmetro de cinco milímetros ou mais, são considerados granizo; pedaços menores de gelo são classificados como bolas de gelo, bolas de neve, ou granizo mole. Bolas isoladas são chamadas de pedras. É referido como "GR" quando está em observação e pelo Metar. Granizo pequeno ou bolas de neve são referidas como "GS" quando estão em observação e pelo Metar. Enchente repentina - inundação que acontece muito rapidamente, com pouca ou nenhuma possibilidade de um alerta antecipado e que, em geral, resulta de chuva intensa sobre uma área relativamente pequena. Enchentes repentinas podem ser causadas por chuva súbita excessiva, pelo rompimento de uma represa, ou pelo descongelamento de uma grande quantidade de gelo. Geada - depósito de gelo cristalino, em forma de agulhas, prismas, escamas, dentre outros, resultante da sublimação do vapor d'água do ar adjacente, sobre a superfície do solo, das plantas e dos objetos expostos ao ar. Neve - precipitação de cristais de gelo translúcidos e brancos, em geral em forma hexagonal e complexamente ramificados, formados diretamente pelo congelamento do vapor de água que se encontra suspenso na atmosfera. É produzida freqüentemente por nuvens do tipo estrato, mas também pode se originar das nuvens do tipo cúmulo. Normalmente os cristais são agrupados em flocos de neve. É informado como "SN" quando está em observação e pelo Metar. Onda de Calor - período de tempo desconfortável e excessivamente quente. Pode durar vários dias ou várias semanas. The Weather Channel usa os seguintes critérios para definir uma onda de calor: a temperatura deve estar acima de 90 F (32º C) em pelo menos 10 estados e, pelo menos, cinco graus acima do normal em partes daquela área durante pelo menos dois dias, ou mais. Tornado - Coluna giratória e violenta de ar que entra em contato com a extensão entre uma nuvem convectiva e a superfície da Terra. É a mais destrutiva de todas as tempestades na escala de classificação dos fenômenos atmosféricos. Pode acontecer em qualquer parte do mundo, desde que existam as condições certas, mas é mais freqüente nos Estados Unidos numa área confinada entre as Montanhas Rochosas (a oeste) e os Montes Apalaches (a leste). Seca - clima excessivamente seco numa região específica. Deve ser suficientemente prolongado para que a falta de água cause sério desequilíbrio.

26 Nuvens Conjunto visível de partículas minúsculas de água líquida ou de gelo, ou de ambas ao mesmo tempo, em suspensão na atmosfera. Estratiformes - desenvolvimento horizontal, cobrindo grande área; de pouca espessura; precipitação de caráter leve e contínuo. Cumuliformes - desenvolvimento vertical, em grande extensão; surgem isoladas; precipitação forte, em pancadas e localizadas. Podem ser líquidas (constituídas por gotículas de água), sólidas (constituídas por cristais de gelo) e mistas (constituídas por gotículas de água e cristais de gelo). De acordo com o Altas Internacional de Nuvens da OMM (Organização Meteorológica Mundial) existem três estágios de nuvens: Nuvens Altas: base acima de 6km de altura - sólidas. Nuvens Médias: base entre 2 a 4 km de altura nos pólos, entre 2 a 7 km em latitudes médias, e entre 2 a 8 km no equador - líquidas e mistas. Nuvens Baixas: base até 2km de altura - líquidas.

27 Nuvens Cirrus(CI): aspecto delicado, sedoso ou fibroso, cor branca brilhante. Cirrocumulus(CC): delgadas, compostas de elementos muito pequenos em forma de grânulos e rugas. Indicam base de corrente de jato e turbulência. Cirrostratus(CS): véu transparente, fino e esbranquiçado, sem ocultar o sol ou a lua, apresentam o fenômeno de halo (fotometeoro). Altostratus (AS): camadas cinzentas ou azuladas, muitas vezes associadas a altocumulus; compostas de gotículas superesfriadas e cristais de gelo; não formam halo, encbrem o sol; precipitação leve e contínua. Altocumulus (AC): banco, lençol ou camada de nuvens brancas ou cinzentas, tendo geralmente sombras próprias. Constituem o chamado "céu encarneirado". Stratus (St): muito baixas, em camadas uniformes e suaves, cor cinza; coladas à superfície é o nevoeiro; apresenta topo uniforme (ar estável) e produz chuvisco (garoa). Quando se apresentam fracionadas são chamadas fractostratus (FS). Stratocumulus (SC): lençol contínuo ou descontínuo, de cor cinza ou esbranquiçada, tendo sempre partes escuras. Quando em vôo, há turbulência dentro da nuvem. Nimbostratus (NS): aspecto amorfo, base difusa e baixa, muito espessa, escura ou cinzenta; produz precipitação intermitente e mais ou menos intensa. Cumulus (Cu): contornos bem definidos, assemelham-se a couve -flor; máxima freqüencia sobre a terra de dia e sobre a água de noite. Podem ser orográficas ou térmicas (convectivas); apresentam precipitação em forma de pancadas; correntes convectivas. Quando se apresentam fraccionadas são chamadas fractocumulus (FC). As muito desenvolvidas são chamadas cumulus congestus. Cumulonimbus (CB): nuvem de trovoada; base entre 700 e m, com topos chegando a 24 e 35 km de altura, sendo a média entre 9 e 12 km; são formadas por gotas d'água, cristais de gelo, gotas superesfriadas, flocos de neve e granizo. Caracterizadas pela "bigorna": o topo apresenta expansão horizontal devido aos ventos superiores, lembrando a forma de uma bigorna de ferreiro, e é formado por cristais de gelo, sendo nuvens do tipo Cirrostratos (CS).

28 GOES - América do Sul Visível

29 GOES - América do Sul Infravermelho

30 GOES - América do Sul Vapor de Água

31 INMET

32 INMET