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Meteorologia com Radar
ACA 0412
Carlos Augusto Morales
sala 322
Tel: 3091-2711
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material do curso:http://www.storm-t.iag.usp.br/pub/ACA0412
Aulas Teóricas : Sala 14
Aulas Práticas/Laboratório : Sala 114
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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
Atenuação
Velocidade Doppler
Polarimetria
Previsão de Curtíssimo Prazo
Aplicações em Hidrologia
TRMM e CloudSat
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Aulas de Laboratório
• Linux e IDL
• Navegação e plotar dados de radar
• Interpretar dados de radar e de polarimetria
• Ler dados de radar e estimar a precipitação
• Fazer cortes transversais e analisar perfil
vertical da chuva.
• Identificar tipos de hidrometeoros
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AvaliaçãoNota Final = 0,5 x Média das Lista +
0,5 x Trabalho/Monografia
Listas de Exercício:Média das Listas de exercício e Exercícios de Laboratório
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 distribuidos durante as aulas práticas para que os mesmos sejam entregues no final da aula.
Trabalho/Monografia: Ao final do curso (2 de Julho de 2015), 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 26 de Março de 2015.
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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
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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_2015/Aluno
Referências Computacionais
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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).
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Sensoriamento Remoto
Ativo
Radar
Passivo
Radiômetro
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Algumas aplicações na área de Meteorologia
• Medidas de precipitação e estrutura 3D da precipitação•Medidas de vento•Detecção de turbulência e cisalhamento•Previsão de curtíssimo prazo•Detecção de granizo e gelo em aviões•Identificação dos diferentes tipos de hidrometeoros•Identificação das regiões de derretimento de gelo ouisoterma de 0oC•Detecção de meso-ciclones e tornados•Perfil vertical do vento em chuvas estratiformes•Assimilação de dados•Enchentes e modelos hidrológicos
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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.
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• Tesla (1917) projetou um radar que podia rastrear embarcações
• Na década de 1930, o primeiro radar pulsado (distância) foi desenvolvido por pesquisores Britânicos, Alemães, Franceses e Americanos com o objetivo de aprimorar o Sistema de defesa
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• Durante a 2o GM, os aliados pensavam queos alemães desenvolviam “raios da morte”.
• 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.
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• Em 1943, os meteorologistas da U.S. Air recebem treinamento do MIT no uso de um radar meteorológico.
• 1943 – Primeiro radar meteorológico operacional é instalado no Panamá
• Basicamente a área de meteorologia por radar nasceu durante a II Gerra Mundial
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Avanços 1940-50 desenvolvimento da técnica Doppler
a qual é utlizada para medir a velocidade de
propagação do alvo em relação ao radar
(velocidade radial);
1970-80 estudos teóricos revelam que a
polarimetria poderia ser empregada para a
identificar granizo e estimar a precipitação
com melhor acurácia;
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
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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
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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 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
substitui o banda C de Bauru. Mais tarde no final
da década de 90 foi instalado um outro em
Presidente Prudente
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1993 - 1º radar meteorológico Doppler Banda X
é instalado em Fortaleza, FUNCEME, para
estudos de física das nuvens.
1990-2000 TECSAT desenvolve tecnologia
nacional para construir radares meteorológicos
Doppler Banda S para o DECEA. Entregou 6
(DF, SP, RJ, SC, 2RS)
1998 – Doppler Banda S – Teixeira Soares -
Paraná – SIMEPAR
2001 – Banda C de Bauru é transferido para
Maceió – UFAL
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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
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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 – Atualização do radar do DAEE/CTH
para um Banda S Doppler de Dupla Polarização
2013 - Centro Capixaba de Monitoramento
Hidrológico instalou um Radar Doppler Banda S
de Dupla Polarização em Aracruz (ES)
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2014 – SIMEPAR instala radar Banda S Doppler
Dupla Polarização 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,
sendo um em Macaé e outro em Guaratiba, mas
não estão operacionais.
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2015 – Previsão
IAG+FCTH instalação de radar meteorológico
banda X Doppler Dupla Polarização no Parque
Cientec/USP em Abril de 2015.
CEMADEN – Previsão de mais 15 radares nos
próximos anos
No total temos: 43 radares operacionais no Brasil
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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
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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.
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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!!
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40.000 pés
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Exemplos de alguns radares
SMART RadarC-band5 cmDoppler
NWS NEXRADS-band2.85 GHz (10.5 cm)Doppler
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Prudente Bauru
Salesópólis
Morro da Igreja
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915 MHz Wind Profiler
Southern Great Plains
ARM-CART site
482 MHz German
Meteorological Service
Wind Profiler
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TRMM Precipitation Radar (Ku; 13.8 GHz; 2.2 cm)
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28 de Abril 2006
Radar: 94 GHz
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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
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Classificação dos radares
Radar Primário:
– Radar Pulsado
– Radar de onda contínua:
– Modulado
– Não Modulado
Radar Secundário
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Radar Primário
Transmitem sinais de alta freqüência
que são refletidas pelos alvos. Os ecos
de retorno são recebidos e analisados.
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Radar Secundário
Envia sinal codificado sobre alvos e
recebe informações de volta.
Basicamente 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.
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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
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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.
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Radares Contínuos - CW
Transmitem sinal continuamente
O sinal do eco é recebido e processado
O receptor não precisa estar junto ao
transmissor.
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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.
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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.
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• 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
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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
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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)
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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
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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;
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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.
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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)
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Largura do VolumeJá a duração do sinal transmitido é definido como duração do
pulso (0.1 à 10 s) ou largura (30 à 3000 metros) e define a
largura do volume a ser amostrado pelo radar, volume
iluminado.
O volumen iluminado é comumente definido como
BIN ou Gate
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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.
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Guia de Onda• Meio que conduz a energia transmitida do radar sem perdas;
• Define a Polarização da onda EM a ser transmitida;
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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 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
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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
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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
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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)
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A Scope
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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.
![Page 65: Carlos Augusto Morales sala 322 carlos.morales@iag.usp.br ... · 2 - IPMet/UNESP 1 - DAEE/CTH 2 - SIMEPAR 1 - CIRAM-SC. Meteorologia por Radar Trabalhos teóricos no final de 1940](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022706/5be2766509d3f24c478c5ca3/html5/thumbnails/65.jpg)
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
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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)
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Produtos da GAMIC
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USP – Apoio as aulas:
www.radar.iag.usp.br
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chuvaonline.iag.usp.br
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IPMet/UNESP/Baurú
http://www.ipmet.unesp.br/cgi-bin/integrado.cgi
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DECEA/INPE/USP/IPMet-UNESP
http://sigma.cptec.inpe.br/radar/
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DECEA/RedeMet
http://www.redemet.aer.mil.br/radar/radar.php?ID_REDEMET=
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GEO-RIO / CLIMATEMPO
http://www.climatempo.com.br/alerta-rio/radar.php
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FUNCEME -
http://www.funceme.br/app/radar
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SIPAM- http://www3.sipam.gov.br/RADAR2.HTML
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CEMADEN http://www.cemaden.gov.br/mapainterativo/#
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SAISP/DAEE http://www.saisp.br/geral/logon.jsp?userid=Publico
3 horas atrasado
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SIMEPAR http://www.simepar.br/
1,5 horas atrasado
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CIRAM - http://ciram.epagri.sc.gov.br/
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NÃO DISPONÍVEIS
•VALE – ESPÍRITO SANTO
•CEMIG – MINAS GERAIS
•INEA – RIO DE JANEIRO
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Projeto de Parceria entre: IAG/PUSP/CLIMATEMPO/NOVIMET/FASEP/FCTH
Monitoramento Hidrometeorológico: 1 minuto e 100 metros
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