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

Sala Sinótica

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 e CloudSat

Aulas de Laboratório

• Linux e IDL

• Ler dados de radar, fazer navegação e plotar

os dados de radar

• Interpretar dados de radar e de polarimetria

• Fazer correção de atenuação de chuva

• Fazer estimava de precipitação

• Fazer cortes transversais e analisar perfil

vertical da chuva.

• Identificar tipos de hidrometeoros

AvaliaçãoNota Final = 0,5 x Média das Lista +

0,5 x Trabalho/Monografia

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.

Trabalho/Monografia: Ao final do curso (30 de Junho de 2016), 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 até 31 de Março de 2016.

Referências BibliográficaBattan (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

Ronald E. Rinehart, 3rd Edition (1997), Radar for Meteorologists

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_2016/Aluno

Referências Computacionais

Radar Radio Detection and Ranging

Arte de detectar objetos através dos ecos

de rádio e 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

Radiômetro

Algumas aplicações na área de Meteorologia

• Estimativa de precipitação – Principal• 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 em aviões•Classificaçãodos dos hidrometeoros•Identificação das regiões de derretimento de gelo ouisoterma de 0oC•Detecção de meso-ciclones, tornados e downburst•Assimilação de dados•Hidrológicas – Modelo chuva-vazão e enchentes

Um breve relato da história•Christian Hulsmeyer (1904) desenvolveu um instrumento que detectava a presença de navios.

Basicamente 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), ocorriam flutuações

de intensidade do sinal na recepção.

• Em 1917, Tesla projeta 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.

• Basicamente 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

inventaram a Magnetron. Está válvula

produzia pulsos de ondas de radio que

permitiam a detecção de aviões

inimigos da RAF

• Em 20-Fevereiro-1941 um radar de 10-cm (banda S) rastreou nuvens de chuva, mas o Laboratório de radiação do MIT já tinhafeito observações similares no começo de 1940.

• Ryde (1941) também já havia previsto talpossibilidade de detecção.

• Em 1943, os meteorologistas da U.S. Air começam a receber treinamento do MIT no uso de um radar meteorológico.

• 1943 – Primeiro radar meteorológicooperacional é instalado no Panamá

• Basicamente a área de meteorologia por radar nasceu durante a II Gerra Mundial

Avanços 1940-50 desenvolvimento da técnica Doppler

que é utilizada para medir a velocidade de

propagação do alvo 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 dopplers 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

Radar Banda-C analógico e com camêra (1974-1979)

1979-1992 – Na forma digital

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 foi

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 foi instalado um outro em

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

Maceió – UFAL

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 – 1o Radar Doppler Polarimétrico

banda X móvel - MXPOL – IAG/USP

2009 – 1o 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

Doppler Banda S

2012 – CEMIG instala um radar Banda C Doppler

de Dupla Polarização em Mateus Leme – MG.

2013 – 2014 - Instalação de 9 Radares

Meteorológicos Doppler Banda S de Dupla

Polarização no CEMADEN (Natal (RN), Petrolina

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

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

Teresa (ES) e Jaraguari (MS)

2013/2014 – Radar Banda S Doppler de Dupla

Polarização é instalado em Salesópolis

(DAEE/FCTH) para substituir o antigo radar.

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.

2015 – Defesa Civil de Goiania compra um mini-

radar banda X (chuvaonline) e instala em Jan

2016.

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

FASEP propicia o desenvolvimento de um radar

doppler de Dupla Polarização. O radar esta em

testes na FCTH e em Abril de 2016 será instalado

no Parque Cientec/USP.

CEMADEN – Existe a previsão da aquisição de

mais 15 radares nos próximos anos

No total temos: 43 radares operacionais no Brasil

Vigilância

11 - SIPAM

6 - DECEA

8 - CEMADEN

2 - FUNCEME

1 - VALE/ES **

1 – CEMIG **

2 - INEA-RJ *

2 - IPMet/UNESP

1 - DAEE/CTH

2 - SIMEPAR

1 - CIRAM-SC

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)

Voltando no passado remoto… mas nem tanto!!

40.000 pés

Exemplos de alguns radares

SMART RadarC-band5 cmDoppler

NWS NEXRADS-band2.85 GHz (10.5 cm)Doppler

Prudente Bauru

Salesópólis

Morro da Igreja

915 MHz Wind Profiler

Southern Great Plains

ARM-CART site

482 MHz German

Meteorological Service

Wind Profiler

TRMM Precipitation Radar (Ku; 13.8 GHz; 2.2 cm)

28 de Abril 2006

Radar: 94 GHz

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

Peso: 100 kg

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

Local: Parque Cientec

Classificação dos radares

Radar Primário:

– Radar Pulsado

– Radar de onda contínua:

– Modulado

– Não Modulado

Radar Secundário

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 (transmitting responder) 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 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,V);

Radar Doppler: mede mudanças de

freqüência do eco de retorno para mensurar

se o mesmo esta se afastando ou

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

transmissor.

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.

Exemplo: radio-altímetros.

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 se aplicam 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 Pr 1/4

Bragg Pr 1/1/3

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)

onde: c = λν c 3 x 108 m/s

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)

Frequência dos Radares

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;

A combinação de vários transmissores aumenta a potência;

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 uma onda pode ser definido como:

c

RT MAX2 mas

PRFT

1

PRF

cRMAX

2

onde “c” é a velocidade da luz (~ 3x108 m/s)

Largura do VolumeA 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 volumen 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;

ReceptorSistema 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;

Estes sistemas estão projetados para detectar um sinal

mínimo possível ~ 10-14 W, sendo que a Potência transmitida

é ~ 100-1000 kW. Dessa maneira, expressamos a potência

em decibéis (dB), que é a diferença entre as potências P0 e

P1:

P0

P1=P(dB) 1010log

Em geral a potência mínima detectável (MDS) no

receptor é -103 dBm. Já MDR 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.

Não detecta

Detecta chuva

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.

Enquanto que o pico máximo transmitido é ~ 90 dBm

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)

A Scope

PPI – Plan Position Indicator

Indicador de posição de plano. É utilizado para apresentar

as varreduras do radar, ou seja, apresenta os sinais

recebidos em um sistema de coordenadas polares com

elevação fixa.

RHI - Range Height IndicatorQuando 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 do ângulo de

elevação.

Dessa maneira define-se o CAPPI (Indicador de posição de

plano a uma altitude constante ), como a projeção do sinal

recebido a uma altura constante.

Este produto é processado após uma coleta completa

(Volume Scan)

Produtos da GAMIC

USP – Apoio as aulas:

www.radar.iag.usp.br

USP - ChuvaOnlinehttp://chuvaonline.iag.usp.br

IPMet/UNESP/Baurú

http://www.ipmet.unesp.br/cgi-bin/integrado.cgi

DECEA/INPE/USP/IPMet-UNESP

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

DECEA/RedeMet

http://www.redemet.aer.mil.br/radar/radar.php?ID_REDEMET=

GEO-RIO / CLIMATEMPO

http://www.climatempo.com.br/alerta-rio/radar.php

FUNCEME -

http://www.funceme.br/app/radar

SIPAM- http://www3.sipam.gov.br/RADAR2.HTML

CEMADEN http://www.cemaden.gov.br/mapainterativo/#

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

3 horas atrasado

SIMEPAR http://www.simepar.br/

1,5 horas atrasado

CIRAM - http://ciram.epagri.sc.gov.br/

INEA – Rio de Janeiro

www.alertadecheias.com.br/chuva/bacial.html

NÃO DISPONÍVEIS

•VALE – ESPÍRITO SANTO

•CEMIG – MINAS GERAIS

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

Monitoramento Hidrometeorológico: 1 minuto e 100 metros

Vigilância

11 - SIPAM

6 - DECEA

8 - CEMADEN

2 - FUNCEME

1 - VALE/ES **

1 – CEMIG **

2 - INEA-RJ *

2 - IPMet/UNESP

1 - DAEE/CTH

2 - SIMEPAR

1 - CIRAM-SC

Chuva

11 - SIPAM

6 - DECEA

8 - CEMADEN

2 - FUNCEME

1 - VALE/ES **

1 – CEMIG **

2 - INEA-RJ

2 - IPMet/UNESP

1 - DAEE/CTH

2 - SIMEPAR

1 - CIRAM-SC

2 – USP/Climatempo