Capítulo 8

Instrumentação

Caracterização das Nuvens e da Chuva

• Medidas in Situ

Avião: Plataformas instrumentadas

Disdrômetros, Pluviômetros

• Medidas de Sensoriamento Remoto

Radar Meteorológico

Avião Laboratório de Pesquisas Atmosféricas – ALPA / UECE

Tubulação (Inlets)

para aerossóisSistema de aquisição de dados

Contatores de partículas

The NSF/NCAR Hercules C-130Q

1. Fuselage Apertures (15)

6. Sensor Pylons (2)

2. Radiometer Pods (2)

7. Radome Gustprobe

3. Pylon Wing Boom--PMS Probes (2)

8. ELDORA (Doppler Radar)

4. Dropsonde Dispenser (1)

9. Nose Radar (Collins WXR-700C)

5. Sensor Mount Pods (8)

10. Oceanographic Probe Dispensing (1)

NSF/NCAR L-188C ELECTRA

ELectra DOppler RAdar (ELDORA)

O ELDORA está montado em um avião Lockheed P-3 que é

operado pelo laboratório de pesquisa naval (NRL) dos EUA.

.

http://www.eol.ucar.edu/rsf/eldora/eldora.html

O ELDORA tem um radar meteorológico com 2 antenas dispostas na cauda

do avião que giram em um eixo longitudinal. Uma antena aponta para a

frente e a outra para traz, o que proporciona dois eixos helicoidais cônicos

separados entre 50-100 km. O radar é Doppler e opera na Banda X e possui

resolução de volume iluminado de 300-500 m e faz varreduras com uma

rotação de 24 RPM

Caçadores de Furacões da NOAA

Lockheed WP-3D Orion

"Kermit" (N42RF) e“ Miss Piggy" (N43RF),

https://youtu.be/JulJhamN7d8

https://youtu.be/KO4QYewc_24

The UWyo King Air research aircraft (N2UW), desde 1960

http://www.atmos.uwyo.edu/n2uw/

Wyoming Cloud Radar

WCR

Substituto do EDOP

HIWRAP is a dual-frequency (Ka- and Ku-

band), dual-beam (300 and 400 incidence

angles), conical scan, solid-state

transmitter-based Doppler radar system. It

was designed for operation on the high-

altitude (20 km) Global Hawk

UAV. HIWRAP utilizes solid state

transmitters along with a novel pulse

compression scheme.

Instrumentação em Aviões de

Física de Nuvens

• Temperatura do ar (Total)

• Temperatura do ponto de orvalho

• Pressão atmosférica e dinâmica

• Concentração de tamanho de gotículas, gotas de chuva e cristais de gelo

• Conteúdo de água líquida

• Radar Meteorológico **

• Velocidade vertical

• Contador de núcleos de condensação e aerossóis

Avião

Comercial

Temperatura total

Termômetro de resistência de platina Rosemount

Termômetros de resistência baseiam-se no principio que

um condutor varia em função da temperatura.

A platina em sua forma pura resiste a contaminações e

oferece estabilidade mecânica e elétrica. Este condutor

possui uma relação linear entre temperatura e a

resistência.

Temperatura do ponto de orvalho

Higrômetro EG&G 137

A temperatura do ponto de orvalho é medida através da técnica de espelhos resfriados.

A temperatura de um espelho é reduzida até que a saturação do vapor seja atingida e haja deposito de água sobre o mesmo.

Temperatura do ponto de orvalho

Higrômetro EG&G 137

Quando a temperatura se aproxima do ponto de orvalho temos condensação sobre o espelho, logo resistores foto elétricos conseguem medir alterações das propriedades de reflexão do espelho.

A temperatura do espelho, medida por um termômetro de resistência de platina, corresponde à temperatura do ponto de orvalho.

PressãoPressão estática e dinâmica - Transdutor de capacitância

variável

A Pressão Dinâmica (Qc) é produzida pelo ar em movimento que se choca sobre um objeto.

A Pressão Estática (Ps) ou atmosférica é a pressão produzida pela concentração das moléculas de ar.

Para medir estas pressões utilizamos o sistema pitot-estático que mede a pressão estática e de pitot-dinâmico que é utilizada para determinar a velocidade do ar.

PressãoPressão estática e dinâmica - Transdutor de capacitância

variável

Basicamente, temos sensores de

capacitância variável que medem

a pressão através das variações

da distancia entre o diafragma e o

substrato, causadas pela

oscilação da pressão externa,

alterando a capacitância entre os

eletrodos.

A pressão dinâmica (Qc) é a diferença entre a pressão total do tubo de pitot (Pt) e a pressão estática (Ps).

Qc = Pt - Ps.

Espectro de gotas de nuvem

Forward Scattering Spectrometer Probe, FSSP 100

Dye, J.E. and D. Baumgardner 1984: Evaluation of the forward scattering spectrometer probe Part I:

Electronic and Optical Studies, J. Atmos. and Oceanic Tech., 1, 329-344.

mede partículas com diâmetros de 0,5 µm a 47 µm

Espectro de gotas de nuvemOptical Array Probe 1D - OAP

A medida que o tamanho do hidrometeoro aumenta já não é mais possível relacionar o espalhamento da luz do laser com o tamanho, porém podemos usar a sombra da luz.

Espectro de gotas de nuvemOptical Array Probe 1D - OAP

O OAP 1D ilumina um arranjo linear de fotodiodos com laser He-Ne.

A medida que a partícula passa pelo foco do feixe, uma sombra é criada sobre os diodos e o número de diodos sombreados representa o tamanho da partícula.

Espectro de gotas de nuvemOptical Array Probe 1D - OAP

Os sensores 200X medem partículas com diâmetros entre 40 µm a 280 µm em incrementos de 20 µm;

Já os sensores 200Y medem entre 300 µm e 4 500 µm em incrementos de 300 µm.

Espectro de gotas de

nuvem/hidrometeorosParticle Spacing Monitor - PSM

O PSM fornece a estrutura espacial da distribuição

de partículas de nuvem através da medição do

espaçamento entre elas.

Este instrumento monitora a contagem total de

partículas da FSSP ou do OAP-1D e mede o

tempo entre cada contagem.

Esta medida da uma idéia da estrutura fina da

nuvem (se é contínua ou tem buracos)

Co

nce

ntr

aç

ão

de

go

tícu

las

Es

paç

am

en

to e

ntr

e a

s

go

tícu

las

Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros

Cloud Imaging Probe - CIP

http://www.dropletmeasurement.com/products/airborne/24

Este sensor detecta as partículas que passam em um laser

que dispõe de 64 elementos de uma matriz linear.

A amostragem é feita a cada 250 nano-segundos, o que

permite reconstruir a imagem de uma particula com 25 m de

resolução.

Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros

Cloud Imaging Probe - CIP

http://www.dropletmeasurement.com/products/airborne/24

O CIP mede o tamanho e a forma das partículas entre

25 m a 1550 m e o conteúdo de água líquida entre

0,01 a 3 g/m3

Conteúdo de água liquida

Sensor de fio quente, Csiro King e Johnson Williams

O conteúdo de água para um dado volume pode ser determinado pela integração da massa detectada pelos contadores FSSP, OAP da PMS e o CIP,

ou a partir de um fio quente.

Conteúdo de água liquida

Sensor de fio quente, Csiro King e Johnson Williams

O sensor de fio quente relaciona a variação da resistência de um fio aquecido que é resfriado pelas gotas que evaporam ao colidirem com o fio. Logo a potência necessária para manter a temperatura cte é proporcional ao LWC.

O J-W mede as variações na resistência elétrica enquanto o King mede a potencia necessária para manter o fio a temperatura constante.

Velocidade Vertical

Contador de CCNsOs contadores de CCN em geral são baseados na câmara de Wilson (difusão de vapor) que detectam opticamente particulas que são iluminadas por um laser a medida que elas crescem.

Em câmaras super-saturadas, o vapor condensa sobre aerossóis, logo ao precipitarem sobre um feixe de laser começam a espalhar luz.

Contador de CCNsA intensidade da luzespalhada (vários CCNs) é proporcional ao número de CCNs ativos.

As câmaras variam a temperatura entre as placas para aumentar oudiminuir a saturação.

Tampa superior

Tampa inferior

Eq. CC

Radar Meteorológico

Hipóteses

• O transmissor (antena) irradia a energia EM de forma

isotrópica (todas as direções);

• A energia EM que retorna ao radar é proveniente de

partículas esféricas de água ou gelo

• A energia EM será espalhada em todas as direções

igualmente

Lembrete: Potência é energia por unidade de tempo

A potência média recebida a partir de diversos alvos (gotas e

cristais de gelo) pode ser expressa como

onde a somatória é sobre o volume iluminado (Vm) que

espalha de volta a energia para o radar.

n

t

I

T

R

r

GPP

0

43

22

4

Volume iluminado

(i) seção transversal de retro-espalhamento

Figura 4.2 ilustra a

seção transversal

de espalhamento

normalizada

(/a2) para

esferas de água e

gelo e para um

=3.21 cm (banda

X)

a2r/a2r/

Note que para a muito

pequeno, aumenta com a

(entre 1 e 2)

A diferença entre a água e o gelo

deve-se à constante dielétrica,

onde:

Água é um espalhador mais

eficiente do que o gelo, pois a

água cria um dipolo mais

alinhado.

Para a > 2, do gelo é maior

que a da água, uma vez que a

absorção da água excede a do

gelo

Água

Gelo

a2r/

O Comportamento de

para a grande é

altamente oscilatório,

pois existe um

espalhamento grande

na direção de

propagação da onda

que está associado a

múltiplas reflexões da

onda (Espalhamento

Mie)

Sendo que para a << 1, ou seja, o raio da gota é muito menor que e assim

temos a aproximação Rayleigh. Logo a seção transversal de espalhamento pode

ser descrita por:

onde Di é o diâmetro da partícula e K o índice de refração da partícula

62

4

52

2

2

6

2

2

1

iIDK

m

m

a

2

1

2

2

m

mK

Termo T(oC) Comprimento de onda (cm)

10 3.21 1.24 0.62

20 0.928 0.9275 0.9193 0.8926

|K|2 10 0.9313 0.9282 0.9152 0.8726

0 0.9340 0.9300 0.9055 0.8312

-8 .............. .............. 0.8902 0.7921

20 0.00474 0.01883 0.0471 0.0915

Im(-K) 10 0.00688 0.0247 0.0615 0.1142

0 0.01102 0.0335 0.0807 0.1441

-8 ............. ............... 0.1036 0.1713

Água

Termo T(oC)0 0.197

|K|2 -10 0.197-20 0.197

0 9.6x10-4

Im(-K) -10 3.2x10-4

-20 2.2x10-4

Gelo????????

2

KI

Usando a aproximação Rayleigh, ou seja, a < 0.22 (2a/) temos

que o diâmetro máximo observado para o diferentes radares é:

Portando os radares Banda S detectam todos os hidrometeoros

exceto as grandes pedras de gelo, porém radares com pequeno

entram na região de espalhamento Mie, isso implica que estes

radares são mais indicados para a medidas de física de nuvens.

Banda (cm) Freq(GHz) < D(mm) observado

água ( gelo)

S 10,0 3 7 (16,0)

C 5,0 6 3,5 (8,0)

X 3,0 10 2,1 (4,8)

K 1,0 30 0,7 (1,6)

W 0,4 75 0,25 (0,64)

Finalmente, a Potência recebida pelo retro-espalhamento de partículas

esféricas pode ser expressa como:

Espalhamento Rayleigh:

Espalhamento Mie

onde o Fator Refletividade do Radar Z é

enquanto que a Refletividade do Radar é

volume

i

T

RD

r

KhGPP

6

2

2

2

32

)2(ln6416

volume

i

T

R

r

hGPP

22

221

)2(ln6416

volume

iD

6

volume

i

Logo se soubermos a distribuição de tamanho das partículas dentro do

volume iluminado pelo radar, podemos expressar Z como:

ou

Sendo assim podemos expressar a Potência recebida pelo radar em

termos do Fator Refletividade do Radar e a constante do Radar

6

iiDnZ

0

6)( dDDDNZ

Zr

KCteP

R 2

2

Como podemos inferir a

Precipitação?

Sabemos que o fator refletividade do radar (Z) é proporcional à

distribuição de tamanho de gotas vezes o D6.

Portanto se houvesse uma maneira de expressar o Conteúdo de

Água Líquida (LWC) ou a Taxa de Precipitação (R) em função

da distribuição de tamanho de gotas, podemos relacionar estas

grandezas com as medidas feitas pelo radar meteorológico.

Sendo que a Taxa de Preciptação pode ser expressa como:

E o conteúdo de água líquida pode ser expressa como:

0

3)()(

6)/( dDDVDDNhmR

T

0

33)(

6)/( dDDDNmgLWC

L

Logo a partir das relação Z-R ou Z-LWC podemos obter estes

parâmetros. Mas para isso temos que ter uma idéia da distribuição

de tamanho de gotas, N(D).

Estas medidas de distribuição são feitas em geral a partir de

medidas com disdrômetros ou coletores de partículas em

aeronaves.

O disdrômetro mede a distribuição de tamanho de gotas (DSD) em

um intervalo de tempo a partir do impacto das gotas sobre uma

superfície de 50 cm2. O impacto das gotas provoca uma vibração na

membrana, sendo que esta energia mecânica é então proporcional a

um tamanho.

Medidas realizadas em 1948 (Marshall e Palmer) indicaram que as

precipitações estratiformes seguiam uma distribuição exponencial,

enquanto que mais tarde observou-se que as convectivas seguiam uma

distribuição gamma e ou lognormal.

De uma maneira simplificada, podemos utilizar a expressão

exponencial proposta inicialmente por Marshall e Palmer (1948) e

derivar as relações Z-R e Z-LWC.

Para isso assumimos:

3

0/,exp)( cmgotasDNDN

(R) = 4,1R-0,21 mm-1 [R(mmh-1)] e N0 = 0,08 cm-4

Logo a Z pode ser expresso por:

Mashall e Palmer encontraram que =f(R), na forma de (R) = 4,1R-0,21

Portanto,

Porém na literatura temos que a relação ZR é:

7070

0

6

0

0

636 !6)7(exp)(][

NNdDDDNdDDDNmmmZ

3

6

47,121,07

7070213

1,4

!6!6

m

mmRRNNZ

x

6,1200 RZ

http://mogyb.cptec.inpe.br/portal/belem/quicklook/bandax.html

CHUVA - Belém

Radar de Apontamento Vertical - MRR

CHUVA - Belém

Relação Z-R e Z-M para gotas de água e cristais de gelo e neve.

Tipo

Z(mm6/m3) x M(g/m3) Z(mm6/m3) x R(mm/h)

Chuva (MP) M = 3,93x10-3Z0,55 Z = 200R1,6

São Paulo

(Morales)

M = 1,4 x10-3Z0,64 Z = 378R1,34

Neve e agregados M = 1,7x10-2Z0,45 Z = 150R1,54

Granizo (molhado) M = 9,5x10-7Z1,02 Z = 486R1,37

Granizo (seco) M = 5,5x10-6Z0,97

Nuvem M = 4,56Z0,5 Z = 69R1,8

Obs: para mais relações utilizar:

1) Sauvageot, H., and J. Omar, 1987: Radar Reflectivity of Cumulus Clouds.

J. Atmos. Oceanic Technol., 4, 264–272, e

2) 2) Battan L.J., 1973: Radar Observation of the Atmosphere.

Contadores de gotas de chuva:

Disdrômetro

Disdrômetro de Impacto

Joss-Waldvogel

Este instrumento tem a característica de medir a distribuição de

tamanho de gotas de chuva (DSD ou RDSD) através de um

espectrômetro eletromecânico, onde as gotas incidem sobre uma área

de 50 cm2.

• Este instrumento baseia-se no princípio de compensação automática da força produzida por uma gota que atinge a superfície do sistema receptor rígido (auto-falante).

• O efeito de compensação faz com que o sistema rígido receba somente uma parte ínfima da energia de movimento na forma de calor.

• Assim, o sistema retorna imediatamente a sua posição inicial.

• Os pulsos elétricos gerados pelo sistema receptor são classificados por um analisador, com 20 canais, que são usados para separar os pulsos elétricos do disdrômetro em 20 diferentes classes de tamanho de gotas.

[0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.90,1.1,1.3,1.5,1.7,1.95,2.25,2.55,2.85,3.15,3.5,3.9,4.3,4.75,5.25]

• O pulso gerado pela gota esta relacionado

pela amplitude U em Volts e o diâmetro da

gota D em mm incidente.

U = 0,94D1,47

Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM

0 . 0 1

0 . 1

1

1 0

1 0 0

1 0 0 0

0 1 2 3 4 5 6

F lo r id a C o n t

F l o r id a M a r

L B A C o n t

L B A M a r

I n d ia C o n t

In d ia M a r

K w a j M a r

N [

mm

m-

3

\

mm

hr

-1

]

D [ m m ]

Rosenfeld and Tokay, 2002

CHUVA - Belém

Disdrômeto ótico a laser

• Parsivel (PARticle SIze and VELocity)

• Thies

Parsivel (PARticle SIze and VELocity )

• Este instrumento mede o tamanho e a

velocidade de queda dos hidrometeoros

caindo sobre um feixe de laser.

• O sensor transmite um feixe de

luz horizontal que é convertido

em um sinal elétrico.

• O sinal muda a medida que os

hidrometeoros caem sobre o

feixe.

• O grau de escurecimento/bloqueio é uma

medida do tamanho do hidrometeoro e a

duração do sinal está relacionado com a

velocidade de queda.

• O sensor PARSIVEL detecta 8 tipos de

hidrometeoros: garoa, mistura de

garoa/chuva, chuva, mistura de

chuva/neve, neve, grãos de neve,

chuva congelada e granizo.

Comprimento de Onda do Laser: 650 nm

Potência do Laser: 1 mW

Dimensões do feixe: 180 x 30 mm (Largura x Diâmetro)

Área da medida: 54 cm²

Tamanho das partículas: 0,2 a 25 mm

Número de Classes: 32 de tamanha e 32 de velocidade

Thies

• Este instrumento tem o mesmo princípio

de detecção do PARSIVEL. Porém com

algumas caracteristicas eletrônicas

diferentes.

Caracteristicas

Comprimento de onda do Laser: 785 nm

Potência do Laser: 0,5 mW

Área de Medida: 46 cm² (23 x 2.0 cm)

Classificação de Classes: 440

( 22 diâmetro x 20 de velocidade)

Tamanho: 0,16 - 8 mm

Velocidade: 0,2 a 20 m/s

Convertendo gotas ou

hidrometeoros em concentração

Onde Nd(D) é a concentração de gotas por unidade de volume. Lj é o numero de gotas no canal j de diâmetro entre Dj e Dj+1, Dt é o tempo de amostragem, Vt(D) é a velocidade terminal da gota D e A é a área coletora do disdrômetro.

ADVDt

DL

t

j

)(

)( (D)N

d

Exemplos de observações em

nuvens

TRATAMENTO DOS DADOS EM NUVENS

Frediane, 2008.

CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa

EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z

500

600

700

800

900

1000

-61.65 -61.60 -61.55

Pre

ssão

[m

]

Longitude

-10.95

-10.94

-10.93

-10.92

-10.91

-10.90

-61.65 -61.60 -61.55

Lati

tud

e

Longitude

Dados tomados continuamente em

espiral descendenteFrediane, 2008.

500

600

700

800

900

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Pre

ssã

o (m

b)

2DC - LWC(D) [g/m3]

EC 06

500

600

700

800

900

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8

2DP - LWC(D) [g/m3]

EC 06

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50

Pre

ssã

o (m

b)

N(D) [cm-3]

EC 06

500

600

700

800

900

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

fssp - LWC(D) [g/m3]

CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa

EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z

Diminuição da Concentração e

LWC entre 550 e 500mb

Presença de LWC

proveniente de gotas

médias e grandes

Máximo em níveis altos -

sustentadas pela corrente

ascendente

Máximo em níveis

baixos - precipitação

CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa

EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1000 3000 5000 7000 9000 11000

Co

nce

ntr

açã

o (c

m-3

. d

m-1

)

Diâmetro - OAP 2DP [m]

EC06500 mb550 mb600 mb650 mb700 mb750 mb800 mb850 mb900 mb

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

150 250 350 450 550 650 750 850 950

Co

nce

ntr

açã

o (c

m-3

. d

m-1

)

Diâmetro - OAP 2DC [m]

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1000 3000 5000 7000 9000 11000

Co

nte

úd

o d

e Á

gu

a L

íqu

ida

(g/m

3)

Diâmetro - OAP 2DP [m]

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

150 250 350 450 550 650 750 850 950

Co

nte

úd

o d

e Á

gu

a L

íqu

ida

(g/m

3)

Diâmetro - OAP 2DC [m]

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

açã

o (c

m-3

. d

m-1

)

Diâmetro - FSSP [m]

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nte

úd

o d

e Á

gu

a Lí

qu

ida

(g/m

3)

Diâmetro - FSSP [m]

Maior Concentração de

gotículas em 12,5m

Maior LWC em 32,5m

Maiores Concentrações em

níveis mais altos

Distribuições Bi-modais

Processo de

crescimento das

gotículas conforme a

ascensão vertical

Migração das gotas dos níveis

altos para os níveis baixos

conforme o crescimento:

Precipitação e coleta

Evidência de precipitação:

predominância das gotas em

níveis baixos

Referencias

• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin24.html

• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin23.html

• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin22.html

• Francisco Geraldo de Melo Pinheiro, Um Novo Contador de

Núcleos de condensação de Nuvens Baseado em Técnicas de

Visão Computacional, Tese de Doutorado, UFC, 2011

• http://www.dropletmeasurement.com/manuals/Hardware%20Manuals/DOC-

0028%20CIP%20Manual.pdf

• Maria Eugenia B. Frediani, 2008. Microfísica das nuvens Amazônicas: Propriedades dos hidrometeoros observados durante as campanhas WetAMC/TRMM/LBA 1999 e DryToWet/RACCI 2002, Dissertacao de Mestrado, USP.