SENSORIAMENTO REMOTO DOS OCEANOS - dsr.inpe.br Microoondas aplicado a Oceanografia... · Como medir...
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Qual é a importância de se medir o vento marinho?
Gerador das ondas oceânicas;
O vento é um dos principais forçantes de modelos atmosféricos e de previsão de ondas;
Nas escalas das bacias oceânicas, o vento é o forçante dos grandes giros oceânicos, responsáveis por grande parte do transporte de calor e sal e determinante do balanço do clima;
A magnitude do vento oceânico é parte das parametrizações utilizadas no cálculo dos fluxos de calor, umidade, troca de gases entre a atmosfera e o oceano;
Em altas latitudes, a magnitude do vento é em grande parte responsável pelo resfriamento das camadas superfíciais do oceano com a formação de massas d´água, que afundam e se espalham por todas as bacias oceânicas. Este é o “motor” da circulação termohalina.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Desde o começo do uso dos radares de navegação, já havia indicação de que o vento afetava o sinal de retorno; quanto mais forte o vento, maior era a magnitude do ‘clutter’, isto é, o ruído de fundo presente no sinal do radar.
Experimentos com sensores de radar aerotransportados realizados nos anos 70 mostraram que a Seção Reta de Radar Normalizada (Normalized Radar Cross Section) NRCS (σ0) do oceano era dependente da intensidade do vento de superfície.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Os valores de NRCS (σ0) do oceano podem ter suas origens em dois casos bastantes distintos. Primeiramente, temos o caso em que σ0 é
proveniente da superfície do oceano; em outros casos, o valor de σ0
provem de objetos, tais como navios, plataformas, ou mesmo icebergs etc.
Para o caso do retro-espalhamento radar da superfície oceânica (sem o efeito de objetos), ele depende do espectro das ondas de superfície, i.e., da distribuição da energia das ondas em diferentes comprimentos de onda (λ) em relação ao comprimento de onda eletromagnético do feixe de radar incidente.
Se tivéssemos uma superfície oceânica totalmente lisa, a reflexão da REM seria especular. Com a ação do vento, ondas capilares começam a aparecer, introduzindo um espalhamento incoerente
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Como indicado na figura abaixo, para incidência normal (Figs. a e b), com o aumento da rugosidade (aumento do vento), diminui a quantidade de energia refletida em direção ao radar. Para uma incidência oblíqua, e para uma superfície lisa (Fig. c), teríamos um retorno nulo. Com o aumento da rugosidade (Fig. d), aumenta a componente de reflectância não coerente e parte da energia é retro-espalhada de volta ao radar.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Sabe-se que as inclinações das superfícies refletoras presentes na superfície do mar dificilmente ultrapassam 15º. Assim, com ângulos de incidência entre 0 e 15º, σ0 diminui com o aumento do vento.
Para ângulos de incidência entre, aproximadamente 20 e 70º, o retro-espalhamento radar da superfície oceânica é relativamente forte, e pode ser explicado por um mecanismo denominado espalhamento Bragg. Como mostrado abaixo, para ângulos de incidência, comprimentos de onda radar (λ) e das ondas de superfície (λw) específicos, os comprimentos adicionais que o pulso radar propaga até atingir as próximas cristas são múltiplos da metade do comprimento de onda radar. Como o comprimento total é o dobro desta distância adicional, as reflexões em cada face se somarão em fase, dando um forte retorno.
Condição de
espalhamento Bragg
λw= n λ/2senθ; n=1,2,...
No range de ângulos de incidência entre 20o e 65o o espalhamento da REM pela superfície do oceano é explicada pelo, assim chamado, espalhamento ressonante, ou espalhamento Bragg. Segundo a teoria do espalhamento ressonante, a seção reta de radar sigma-zero para a direção de onde vem o vento é dada pela seguinte expressão
)2,0()(82
4
iRiijR
o senkgk
Onde: =
é o número de onda radar (
é o compr. onda do radar),
é o ângulo de incidência
Ψ é o espectro bi-dimensional de número de ondas do oceano, e as funções de reflectância da superfície do oceano ( g ) para as polarizações HH e VV são dadas pelas expressões:
22/12
222
22/12
2
])(cos[
])1()[1(cos)(
])([cos
cos)1()(
ieie
iieeiiVV
iei
ieiHH
senKK
sensenKKg
senK
Kg
Onde é a constante dielétrica da água do mar para a frequência da onda do radar.
eK
Rk
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Experimentos aerotransportados realizados nos anos 70 mostraram que os valores de σo oceânicos eram gerados localmente pelo vento, não sendo dependentes das condições de pista e swell presentes, como indicam os resultados mostrados na figura abaixo. Notar que os valores de NRCS para a polarização VV são maiores que para aqueles referentes à polarização HH.
Definição
de dB
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
A figura a seguir mostra os valores NRCS obtidos em experimentos aerotransportados para diferentes valores de vento e diferentes ângulos de incidência, voando em linha reta a fim de manter o mesmo ângulo azimutal do feixe radar em relação ao vento.
i) VV > HH;
ii) p/ θ<15º, σo
decresce
quando U
aumenta;
iii) p/ θ>15º, σo
cresce quando
U aumenta;
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
A figura a seguir mostra os valores NRCS obtidos em experimentos aerotransportados para diferentes valores de vento e mesmo ângulo de incidência, voando-se em círculos e variando o ângulo azimutal (ΦR).
σo ~ cos 2ΦR
Da mesma forma que
para o caso anterior,
NRCS aumenta com o
aumento do vento.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Valores NRCS obtidos teoricamente por Yueh et al. (2002) para NRCS e para diferentes polarizações.
Notar que os valores máximos de NRCS são diferentes para as
direções upwind e downwind, com maior assimetria para a polarização
HH. Notar também que os valores de NRCS para a polarização HV
são cerca de 20dB menores que para a polarização VV.
21
21100
0
1
2coscos1
aa
aaUa
Onde a0,a1,a2, são funções do ângulo de incidência.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
A função que expressa a dependência de sigma zero com: a velocidade do vento a 10m da superfície do mar (U10) , ângulo azimutal
, e o ângulo de incidência
, foi modelada inicialmente com a seguinte expressão:
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Posteriormente, novos modelos foram derivados, tais como a Função de Modelo Geofísico (GMF) CMOD-4 para banda C e polarização vertical
(Stoffelen and Anderson, 1997):
Onde
e V=U10
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Reparar que para um mesmo valor medido de σo, e para um determinado
ângulo de incidência, podemos ter mais de um par de valores (U,Φ) como
solução. A solução é medir σo para vários ângulos azimutais, o que
reduzirá o número de soluções possíveis.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Como visto, o=f(U,,) depende de três variáveis, sendo somente passível de
determinação direta a partir da geometria de aquisição dos dados. A determinação
do vetor vento envolve se determinar U, a magnitude do vento e , sua direção. A
solução adotada em todos os escaterômetros orbitais é medir σo para vários ângulos
azimutais, o que reduz o número de soluções possíveis. Existem várias maneiras de
se obter o sob diferentes ângulos azimutais. Em alguns sistemas sensores, usa-se
duas, ou mais antenas, cada uma apontada para uma diferente posição. Em outros
casos, utiliza-se uma varredura cônica, que tem o efeito de “ver” as células de
resolução na superfície em diferentes ângulos azimutais.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
O escaterômetro ERS: uma antena a 0º ; uma antena apontando à
frente (45º) e outra apontando para trás (135º).
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
O escaterômetro SeaWinds do satélite QuikSCAT: uma antena
parabólica giratória com varredura cônica.
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Esquema de visada e amostragem do escaterômetro SeaWinds
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Uma lista dos vários sistemas escaterômetro já lançados
Como medir o vento marinho por meio de satélites?
Cobertura global diária dos vários sistemas escaterômetro já lançados
41% do oceano global;
50km de resolução
77% do oceano global;
25km de resolução
93% do oceano global;
25km de resolução
(podendo ser processado
à 12.5km com alguma
perda de acurácia.
ASCAT (METOP-A)
EUMETSAT
Nota: esse não é um
escaterômetro, mas
sim um radiômetro de
microondas
polarimétrico.
NRL/RS Division
Comparação entre a magnitude dos ventos oceânicos medidos por
bóias e pelo escaterômetro NSCAT
Para ventos entre 1 e
18ms-1, e com outliers
acima de 3sd removidos,
rms=
1.2ms-1 e
bias=0.3ms-1.
Comparação entre a direção dos ventos oceânicos medidos por bóias e
pelo escaterômetro NSCAT
Para ventos entre 2 e
17ms-1, e ignorando os
dados ambiguos, rms=
18o e a diferença média
=8o.
Sites disponíveis para obtenção de dados de ventos derivados de
escaterômetros:
a) http://www.remss.com/ QuikSCAT
b) http://www.opc.ncep.noaa.gov/grids/data/index.html QuikSCAT
c) http://earth.esa.int/EOLi/EOLi.html site de entrada para o software de
acesso ao catálogo de dados da ESA contendo, entre outros dados, os
ventos derivados dos escaterômetros ERS e METOP
d) http://www.knmi.nl/scatterometer
e) http://manati.star.nesdis.noaa.gov/products.php