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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

CAMPUS DE PRESIDENTE PRUDENTE

FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas

Modelagem Troposférica para a América do Sul

utilizando Previsão Numérica de Tempo com

Assimilação de Dados e sua avaliação utilizando

GNSS

Tayná Aparecida Ferreira Gouveia

Orientador: João Francisco Galera Monico

Co-Orientador: Luiz Fernando Sapucci

CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativas

Revisão Bibliográfica

Metodologia

Cronograma

MOTIVAÇÃO

Modelo regional ETA 20 é o único modelo de previsão de tempo com

assimilação de dados na América Latina, operacional no CPTEC/INPE, é um

modelo empregado para gerar o ZTD, com resolução horizontal de 20 km;

Com a melhoria da assimilação de dados e a instalação do novo

supercomputador no CPTEC/INPE que passará a gerar previsões de tempo mais

confiáveis, com mais dias de antecedências e com melhor qualidade, será possível

rodar modelos de maior resolução espacial;

Contribuir com a melhoria das previsões da umidade sobre a América do Sul e

consequentemente com a melhoria das previsões do atraso zenital troposférico

Melhor resolução temporal e espacial.

MOTIVAÇÃO

http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/

CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativas


Metodologia

Cronograma

OBJETIVOS

Modelagem da troposfera para a América do Sul, através de um sistema

regional de assimilação e PNT, com o intuito de minimizar o erro no sinal GNSS,

para aplicações em tempo real e no modo pós-processado;

Re- Processamento de dados GNSS para produção de atraso, visando:

analisar a qualidade do novo sistema de assimilação Filtro de Kalman Local por

Conjunto (LETKF - Local Emsemble Transform Kalman Filter);

Climatologia do Atraso Zenital Troposférico utilizando re-análise sobre a

América do Sul;

Utilizar o sinal GNSS para caracterizar o ciclo diurno da umidade, uma vez que

o GNSS proporciona uma série temporal contínua de informações de umidade;

Gerar um produto de atraso (TROPO Rinex) para uso na Geodésia.

CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativas


Metodologia

Cronograma

JUSTIFICATIVAS

Hopfield e Saastamoinen, utilizaram pontos de coletas das observações

meteorológicas em sua maioria no hemisfério norte, apresentando-se inapropriadas

para a região da América do Sul, quando se busca resultados acurados. Assim,

mostra-se necessário o desenvolvimento de modelos específicos para essa região.

Além disso, como a Floresta Amazônica possui uma vasta dimensão, esta exerce

grande influência no clima global, o que torna essa região única;

JUSTIFICATIVAS

As melhorias da assimilação de dados no Brasil, e a instalação do novo

supercomputador instalado no CPTEC/INPE que passará a gerar previsões de

tempo mais confiáveis, mais dias de antecedências e melhor qualidade, devem ser

aproveitadas para que uma modelagem da troposfera esteja disponível para

aplicações geodésicas;

Nas aplicações do GNSS na meteorologia com o uso da assimilação de dados

no Brasil, poderá contribuir com a melhoria das previsões da umidade sobre a

América do Sul e consequentemente com a melhoria das previsões do atraso zenital

troposférico.

CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativas


Metodologia

Cronograma

A atmosfera terrestre na

meteorologia é dividida através

da variação da temperatura com a

altitude.

ATMOSFERA

A atmosfera terrestre na Geodésia é dividida pela ionização das camadas:

Troposfera (0 a 50 km) camada eletricamente neutra;

Ionosfera (acima de 50 Km) camada ionizada.

ATMOSFERA

Região mais próxima à superfície;

Composta por gases e vapor d’ água;

Meio não dispersivo, a refração independe da frequência do sinal

transmito e sim das condições termodinâmicas do ar.

TROPOSFERA

Desaceleração que o sinal GNSS sofre ao ultrapassar a Troposfera,

devido aos gases presentes nessa camada;

O atraso troposférico na direção satélite-receptor (DTROP) é causado

pela variação do índice de refração (n) dos gases atmosféricos em

relação ao espaço livre;

ATRASO ZENITAL

Fonte: http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/nota.jsp

ATRASO ZENITAL

n – capacidade de um meio causar mudanças na direção e alteração da velocidade

de uma onda eletromagnética propagada por ele (n = c/v);

S - diferença da distância percorrida pelo sinal é a Sg distância geométrica;

E ainda:

Como (n - 1) está muito próximo da unidade ele é expresso por N = (n - 1)106

N - refratividade do ar.

As variações de N em uma direção qualquer podem ser vistas na direção zenital,

através das funções de mapeamento.

ATRASO ZENITAL

As funções de mapeamento a partir das medidas de temperatura, pressão e

umidade, relacionam o atraso zenital troposférico com o ângulo de elevação do

satélite observado, projetando-o na direção satélite-receptor para a direção

zenital, facilitando a modelagem do atraso;

Existem diversas funções de mapeamento: Lanyi, Davis, Niell , Vienna,

isobárica ;

Os valores obtidos pelas funções de mapeamento apresentam um avanço na

qualidade, principalmente com o desenvolvimento de novas versões (VIENNA e

Isobárica) ao empregar a PNT.

FUNÇÃO DE MAPEAMENTO

As linhas azuis: direção satélite-receptor

A linha vermelha: direção zenital.

fonte: http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/funcoes.jsp

FUNÇÃO DE MAPEAMENTO

ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO

Componente Seca – ZHD (Zenithal Hidrostatic Delay):

composta por gases (nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio);

varia com a temperatura e pressão atmosférica local;

predito com razoável precisão, pois possui uma variação de 1% em várias

horas.

Componente Úmida – ZWD (Zenithal Wet Delay ):

devido a influência do vapor d’água na atmosfera;

varia de 1 à 35 cm no zênite, corresponde a 1/10 do atraso total;

variação temporal é muito maior (20% no intervalo de horas);

ainda é impossível obter boa precisão.

ZTD (Zenithal Tropospheric Delay )

ZTD = ZHD + ZWD

ZHD ZWD

Dado N em função: da temperatura (T) ; densidade do ar (ρ); pressão parcial do

vapor d’água (e); altitude (h); constante específica (Rh) para os gases hidrostáticos, o

inverso da constante de compressibilidade do vapor d’água (Zw-1 ) e k1, k2, k3

constantes da refratividade atmosférica.


ZHD depende apenas da densidade do ar atmosférico (ρ), seus valores podem

ser obtidos a partir de medidas de pressão à superfície (P0), da latitude local (φ), e

da altitude (h0) em quilômetros.

ZWD está relacionado com a razão de mistura entre o vapor d'água e os gases

hidrostáticos, tornando difícil sua determinação a partir de medidas à superfície.


Modelagem do ZTD

A utilização de Modelos Matemáticos que tratam do ZTD, minimizam o erro

gerado pelo atraso. Sendo basicamente dois: Hopfield (supõe que N é dado em

função de T e P0 ) e o de Saastamoinen (equilíbrio hidrostático).

mh(E) = (sen(E2+6,25)1/2)-1

mw(E) = (sen(E2+2,25)1/2)-1

Modelo de Hopfield

Modelo de Saastamoinen

Modelagem do ZTD

O Uso de PNT para a modelagem da

troposfera

A PNT tem como princípio básico a obtenção do estado futuro da atmosfera em

um instante (t), conhecidas as leis de evolução do estado da atmosfera, com base em

seu estado inicial (t0) obtido através das observações, utilizando-se então um

modelo físico da atmosfera que possa ser integrado no tempo através de

procedimento numérico;

O melhor resultado na previsão está relacionado com a capacidade de modelar,

com mais eficiência a atmosfera terrestre, a partir de uma boa descrição de seu

estado inicial;

Os modelos de PNT podem ser divididos pela área de abrangência da superfície

modelada, podendo ser globais, ou regionais (melhor resolução espacial);

No Brasil, atualmente é utilizado o modelo regional ETA20 (operacional no

CPTEC/INPE).

O Uso de PNT para a modelagem da

troposfera

Processo que produz conjuntos de dados, ou análises, a partir de observações

iniciais do estado da atmosfera em evolução e pelo estado da atmosfera dado por

um modelo matemático;

Esse processo em um modelo de PNT é um procedimento cíclico onde os

resultados gerados pelo modelo de PNT com integração curta (t-6), são usadas

como valores iniciais (FG – First Guess) pelo sistema de assimilação;

Assimilação de Dados

O FG é combinado com observações disponíveis em um instante t, gerando um

estado da atmosfera chamado de análise, que mais se aproxima da realidade física

nesse instante;

A análise é utilizada para integração do modelo de PNT como condição inicial

para gerar o próximo FG (t+6), e previsões do estado da atmosfera para épocas

futuras (t+6, t+12, t+18,...).


CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativa

Referências Bibliográficas

Metodologia

Cronograma

METODOLOGIA

Para o PNT será utilizado o modelo operacional do em uso no pelo CPTEC,

já citado (ETA, resolução de 12 km);

A avaliação dos resultados através de comparação do atraso obtido via o

modelo de PNT e a dos advindos do GNSS;

Os valores estimados do atraso troposférico via GNSS serão de

processamento de dados com software científicos, em princípio o GIPSY-

OASIS II ;

O atraso troposférico da PNT será convertido em formato adequado pra sua

utilização em softwares científicos (e comerciais).

CONTEÚDO

Motivação

Objetivos

Justificativa

Referências Bibliográficas

Metodologia

Cronograma

CRONOGRAMARealização deste projeto, estão previstos 24 meses:

A - Obtenção dos créditos junto ao PPGCC;

B - Revisão bibliográfica sobre o assunto;

C - Aprimoramento da Metodologia;

D - Preparo e realização do exame de qualificação;

E - Processamento dos dados e análise dos resultados;

F - Correções eventuais;

G - Redação da dissertação de mestrado.

TRIMESTRE

Fase3º 1º 2º 3º 1º 2º 3º 1º

2010 2011 2011 2011 2012 2012 2012 2013

A X X X

B X X X X X X X

C X X X X X

D X X X X X

E X X X X X

F X

G X X X X

OBRIGADA

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