Meteorologia com Radar
ACA 0412
Carlos Augusto Morales
sala 322
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