Modelagem Troposférica para a América do Sul utilizando ...€¦ · América do Sul e...
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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
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativas
Revisão Bibliográfica
Metodologia
Cronograma
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativas
Revisão Bibliográfica
Metodologia
Cronograma
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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.
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MOTIVAÇÃO
http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativas
Revisão Bibliográfica
Metodologia
Cronograma
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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.
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativas
Revisão Bibliográfica
Metodologia
Cronograma
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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;
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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.
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativas
Revisão Bibliográfica
Metodologia
Cronograma
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A atmosfera terrestre na
meteorologia é dividida através
da variação da temperatura com a
altitude.
ATMOSFERA
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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
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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
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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
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Fonte: http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/nota.jsp
ATRASO ZENITAL
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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
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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
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As linhas azuis: direção satélite-receptor
A linha vermelha: direção zenital.
fonte: http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/funcoes.jsp
FUNÇÃO DE MAPEAMENTO
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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
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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.
ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO
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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.
ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO
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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
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Modelo de Saastamoinen
Modelagem do ZTD
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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;
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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
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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
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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,...).
Assimilação de Dados
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Assimilação de Dados
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Assimilação de Dados
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Assimilação de Dados
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativa
Referências Bibliográficas
Metodologia
Cronograma
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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).
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CONTEÚDO
Motivação
Objetivos
Justificativa
Referências Bibliográficas
Metodologia
Cronograma
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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
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OBRIGADA