UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
CÂMPUS EXPERIMENTAL DE OURINHOS
THIAGO RAMIRES
COMPARAÇÃO DOS TOPOS DOS ECOS DE RADAR NO ESTADO
DE SÃO PAULO COM TOPOS DE NUVENS OBSERVADOS POR
CALIOP A BORDO DO SATÉLITE CALIPSO
OURINHOS - SP
2016
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
CÂMPUS EXPERIMENTAL DE OURINHOS
Comparação dos topos dos ecos de radar no Estado de São Paulo
com topos de nuvens observados por CALIOP a bordo do satélite
CALIPSO
THIAGO RAMIRES
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Universidade Estadual
Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Campus
Experimental de Ourinhos - UNESP, como
parte das exigências para a obtenção de
título de Bacharelado em Geografia.
Orientador:
Dr. Gerhard Held
OURINHOS/SP
2016
THIAGO RAMIRES
COMPARAÇÃO DOS TOPOS DOS ECOS DE RADAR NO ESTADO DE SÃO PAULO
COM TOPOS DE NUVENS OBSERVADOS POR CALIOP A BORDO DO SATÉLITE
CALIPSO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”, Campus Experimental de
Ourinhos - UNESP, como parte das exigências
para a obtenção de título de Bacharelado em
Geografia.
Ourinhos, 03 de junho de 2016.
BANCA EXAMINADORA
Dr. Gerhard Held
Orientador
Profa. Dra. Ana Claudia Carfan
UNESP – Campus de Ourinhos
Profa. Dra. Daniela Fernanda da Silva Fuzzo
UNESP – Campus de Ourinhos
Agradecimentos
A Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” e ao Campus de Ourinhos. A todos
оs professores do curso, qυе foram tão importantes nа minha vida acadêmica е nо
desenvolvimento dеste trabalho
Ao Pesquisadores Gerhard Held e Ana Maria Gomes, companheiro dе caminhada ао longo
dо curso. Еυ posso dizer qυе а minha formação, inclusive pessoal, nãо teria sido а mesma
sеm o seu apoio.
Ao professor Jonas por me acompanhar por toda a jornada acadêmica.
Аоs meus pais, irmã e namorada que, cоm muito carinho е apoio, nãо mediram esforços para
qυе еυ chegasse аté esta etapa dе minha vida.
Аоs meus amigos e companheiros de convivência, pеlаs alegrias e tristezas compartilhadas
e as histórias em que construímos juntos.
Aos técnicos do IPMet, em especial, ao técnico Hermes Franca que ajudou no processamento
de vários dados.
“Existem muitas hipóteses em ciência que estão
erradas. Isso é perfeitamente aceitável, eles são
a abertura para achar as que estão certas”. (Carl
Sagan)
RESUMO
As nuvens desempenham um papel muito importante na constituição da vida no nosso
planeta, através dos processos climáticos, tempestades severas e suas contribuições diretas
e indiretas no balanço radiativo da Terra. A comparação dos topos dos ecos de radar no
estado de São Paulo, através da utilização dos dados dos radares meteorologicos do IPMet
(Instituto de Pesquisas Meteorológicas; desde 2014: Centro de Meteorologia de Bauru) e do
CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) abordo do satelite CALIPSO
(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), possibilita a quantificação
das celulas convectivas penetrando acima da tropopausa e injetando agua em forma liquida,
ou cristais de gelo na baixa estrastofera (overshooting). Esse processo tem grande
importância para o transporte global de agua dentro da baixa estratosfera, facilitando tambem
algumas reacões quimicas, que podem impactar em alterações do clima. Esse trabalho
analisou a relação dos dados entre a altura do topo dos ecos do radar e topo de nuvem de
CALIOP da mesma célula de chuva. Os dados foram coletados no período de dezembro de
2010 a janeiro de 2011 e dezembro de 2012 a fevereiro de 2013. Os dados de radar foram
processados no software IRIS (Interactive Radar Information System) e gerados os produtos,
CAPPI 3,5 km e topo dos ecos com altitude máxima de 20 km. Para o processamento dos
dados do CALIOP foram utilizados o software Mathematica e visualizado no HDFview. A
comparação foi realizada com 16 dias em que foi registrado precipitação na trajetória do
CALIPSO na área dos radares. O CALIOP registrou um topo maior que o identificado no radar
em 90% dos dias, em média 3,6 km mais alto que detectado pelo radar. Não foi possível
preparar uma estatística exata devido aos problemas de localizar o mesmo ponto na escala
do radar e do CALIOP, e devido a diferença de resolução espacial de ambos os sensores.
ABSTRACT
Clouds have a very important function for all life on our planet, due to climatic processes,
severe thunderstorms and their direct and indirect contributions to the Earth´s radiative
balance. The comparison of radar echo tops in the state of São Paulo, derived from the
meteorological radars of the Meteorological Research Institute (IPMet; since 2014: Centro de
Meteorologia de Bauru) with data generated by the CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with
Orthogonal Polarization) system onboard of the CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared
Pathfinder Satellite Observation) satellite, permits a quantification of convective cells
penetrating above the tropopause and injecting water in liquid form (supercooled), or as ice
cristals into the lower stratosphere (overshooting). This process is of great importance for the
global transport of water within the lower stratosphere, and also facilitating certain chemical
reactions, which could lead to climate changes. This research project analyzed the
relationship between the height of radar echo tops and cloud tops of the same rain cell
observed by CALIOP. The data was collected during the periods from December 2010 to
January 2011 and from December 2012 to February 2013. The radar data was processed
with the IRIS (Interactive Radar Information System) software, generating 3,5 km CAPPIs, as
well as images of echo tops up to 20 km. CALIOP data was processed with the software
“Mathematica” and visualized with HDFview. The comparison yielded 16 days, when
precipitation was observed along the trajectory of CALIPSO within the range of the two radars.
In 90% of these days, CALIOP observed cloud tops higher than the echo tops identified by
the radars. On average, this difference was 3,6 km. However, it was not possible to compile
an exact statistic, due to the problem of localizing the very same point on the radar image and
the CALIOP trajectory, as well as the difference in spatial resolution.
Lista de Figuras
Figura 1 – Espectro Eletromagnético......................................................................................17
Figura 2 – Princípio do radar meteorológico, mostrando o feixe de radar relativo a superfície
da terra atingindo grandes distâncias.....................................................................................18
Figura 3 – Movimento da antena (esq) e composição do CAPPI (dir) ...................................19
Figura 4 – Rede de radares Doppler do IPMet (BRU = Bauru; PPR = Presidente Prudente),
mostrando os anéis de 240km, e 450km................................................................................20
Figura 5 – A-Train Constellation..............................................................................................21
Figura 6 – Orbita CALIPSO, feixe vertical do CALIOP............................................................22
Figura 7 – Instrumento CALIOP..............................................................................................23
Figura 8 – Imagem mostrando a seção vertical gerada pelo CALIOP sobre a região de
alcance dos radares (Fig. 2) no dia 26 de dezembro de 2010 (17:20:42-17:22:12 UT) Altura
– escala log; Níveis da temperatura (K); escala a direta: Lidar signal ratio (escala log
arbitrária, em cores) ...............................................................................................................26
Figura 9 – Exemplo para testar o método da análise do dia 26 de dezembro de 2010..........27
Figura 10 – Trajetórias de orbita do CALIPSO com a obtenção das imagens do CALIOP –
22/01/2013..............................................................................................................................28
Figura 11 – Raios (240 km) dos radares de BRU e PP e “overpass” no software do Google
earth – 22/01/2013..................................................................................................................29
Figura 12 – Topos dos ecos até 20 km de altitude – 10 de fevereiro de 2013.......................29
Figura 13 – Ferramenta Archive Menu – IRIS........................................................................30
Figura 14 – Ferramenta Ingest Sumary – IRIS.......................................................................31
Figura 15 – Ferramenta Scheduler – IRIS..............................................................................31
Figura 16 – Configuração produto CAPPI 3,5 km – Scheduler – IRIS....................................32
Figura 17 – Configuração produto TOPS – Scheduler – IRIS.................................................32
Figura 18 – 5 km de extensão a partir do ponto central para cada lado, latitude -21.93°.......33
Figura 19 – 50km de extensão para cada lado a partir do ponto central, latitude -23,93°......33
Figura 20 – Latitude e longitude da célula 2124, software HDFview......................................34
Figura 21 – Produto de topo dos ecos do radar, e overlay da trajetória do CALIOP – 17 de
dezembro de 2012 – Informações da janela “Cursor Tool” retiradas do local do cursor “+”...35
Figura 22 – Trajetória do CALIOP não passa na área do radar..............................................36
Figura 23 – sem ocorrência de chuva na trajetória do CALIOP..............................................37
Figura 24 – Janela “Cursor Tool” e Cursor “+” – Topo 11,5 km 3 de dezembro de 2010…...38
Figura 25 – Dado bruto de 3 de dezembro de 2010 no software HDFView – Latitude,
Longitude e Altitude.................................................................................................................39
Figura 26 – Produto de topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 03 de
dezembro de 2010, 17h16UT..................................................................................................40
Figura 27 – Dados CALIOP de 3 de dezembro de 2010 no software HDFView – Latitude,
Longitude e Altitude.................................................................................................................40
Figura 28 – Top do radar, e overlay da trajetória do CALIOP – 12 de dezembro de 2010,
17h08UT..................................................................................................................................41
Figura 29 – Dados CALIOP de 12 de dezembro de 2010 – Latitude, Longitude e Altitude....42
Figura 30 – Imagem de Satélite GOES (T_Realce) 12 de dezembro de 2010, 16h30UT......42
Figura 31 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP, 26 de dezembro de 2010,
17h23UT..................................................................................................................................43
Figura 32 – Dados CALIOP de 26 de dezembro de 2010 – Latitude, Longitude e Altitude....43
Figura 33 – Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 26 de dezembro de
2010, 17h23UT........................................................................................................................44
Figura 34 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 26 de dezembro de 2010.............44
Figura 35 – Imagem de Satélite GOES (T_Realce) 26 de dezembro de 2010, 16h30UT......45
Figura 36 – Topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 26 de dezembro de
2010, 17h23UT........................................................................................................................46
Figura 37 – Dados CALIOP de 26 de dezembro de 2010 – Latitude, Longitude e Altitude....46
Figura 38 – Topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 11 de janeiro de
2011, 14h23UT........................................................................................................................47
Figura 39 – Dados CALIOP de 11 de janeiro de 2011 – Latitude, Longitude e Altitude.........47
Figura 40 – Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 11 de janeiro de
2011........................................................................................................................................48
Figura 41 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 11 de janeiro de 2011..................48
Figura 42 – Imagem de Satélite GOES (T_Realce) dia 11 de janeiro de 2011, 17:15 UT.....49
Figura 43 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 22 de janeiro de 2011,
03h01UT..................................................................................................................................50
Figura 44 – Dados CALIOP de 22 de janeiro de 2011 – Latitude, Longitude e Altitude.........50
Figura 45 – Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 22 de janeiro de
2011........................................................................................................................................51
Figura 46 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 22 de janeiro de 2011...................51
Figura 47 – Topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 22 de janeiro de
2011........................................................................................................................................52
Figura 48 – Dados CALIOP de 22 de janeiro de 2011 – Latitude, Longitude e Altitude.........52
Figura 49 – Topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 24 de janeiro de
2011, 04h46UT........................................................................................................................53
Figura 50 – Topo dos ecos do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de
2011, 17h16UT........................................................................................................................53
Figura 51 – Dados CALIOP de 05 de fevereiro de 2011 – Latitude, Longitude e Altitude......54
Figura 52 – Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de
2011........................................................................................................................................54
Figura 53 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 05 de fevereiro de 2011................55
Figura 54 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de 2011,
17h16UT..................................................................................................................................55
Figura 55 – Dados CALIOP de 05 de fevereiro de 2011 – Latitude, Longitude e Altitude......56
Figura 56 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 05 de fevereiro de 2011................56
Figura 57 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 17 de dezembro de 2012,
17h08UT..................................................................................................................................57
Figura 58 – Dados CALIOP de 17 de dezembro de 2012 – Latitude, Longitude e Altitude....57
Figura 59 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 31 de dezembro de 2012,
17h23UT..................................................................................................................................58
Figura 60 – Dados CALIOP de 31 de dezembro de 2012 – Latitude, Longitude e Altitude....58
Figura 61 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 31 de dezembro de 2012..............59
Figura 62 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 13 de janeiro de 2013,
04h38UT..................................................................................................................................60
Figura 63 – Dados CALIOP de 13 de janeiro de 2013 – Latitude, Longitude e Altitude.........60
Figura 64: Imagem de Satélite GOES (T_Realce) 13 de janeiro de 2011: 04:45 UT.............61
Figura 65 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 25 de janeiro de 2013,
17h16UT..................................................................................................................................61
Figura 66 – Dados CALIOP de 25 de janeiro de 2013 – Latitude, Longitude e Altitude.........62
Figura 67 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 27 de janeiro de 2013,
04h53UT..................................................................................................................................62
Figura 68 – Dados CALIOP de 27 de janeiro de 2013 – Latitude, Longitude e Altitude.........63
Figura 69 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 01 de fevereiro de 2013,
17h23UT..................................................................................................................................63
Figura 70 – Dados CALIOP de 01 de fevereiro de 2013 – Latitude, Longitude e Altitude......64
Figura 71 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 01 de fevereiro de 2013................64
Figura 72 – Topo do radar e overlay da trajetória do CALIOP – 10 de fevereiro de 2013,
17h16UT..................................................................................................................................65
Figura 73 – Dados CALIOP de 10 de fevereiro de 2013 – Latitude, Longitude e Altitude......65
Figura 74 – Seção de corte vertical da célula de chuva – 10 de fevereiro de 2013................66
Figura 75: Alturas de topo de Radar e topo de nuvem medido pelo CALIOP.........................68
Figura 76: a) Imagem de Satélite GOES (T_Realce) do dia 31 de dezembro de 2012: 17:30
UT. b) CAPPI com corte vertical do dia 31 de dezembro de 2012: 17:23 UT. A célula isolada
está destacada com um circulo vermelho...............................................................................69
Lista de tabela
Tabela 1: Analise dos pontos de coordenadas, identificando topo de Radar e CALIOP........67
Sumário
1 – INTRODUÇÃO...........................................................................................................14
2 – OBJETIVOS...............................................................................................................16
2.1 Objetivos gerais....................................................................................................16
2.2 Objetivos específicos............................................................................................16
3 – FUNDAMENTAÇÃO TEORICA ...............................................................................17
3.1 Sensoriamento Remoto........................................................................................17
3.2 RADAR.................................................................................................................18
3.3 Satélite CALIPSO.................................................................................................20
3.4 LIDAR...................................................................................................................24
4 – METODOLOGIA.......................................................................................................25
4.1 Primeira campanha..............................................................................................25
4.2 Segunda campanha.............................................................................................27
5 – PROCESSAMENTO DOS DADOS..........................................................................30
5.1 Processamento de dados do Radar.....................................................................30
5.2 Processamento de dados do CALIOP..................................................................33
6 – RESULTADOS..........................................................................................................38
7 – CONCLUSÕES.........................................................................................................69
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...............................................................................71
ANEXOS.........................................................................................................................72
14
1.INTRODUÇÃO
As nuvens desempenham um papel muito importante na constituição da vida no nosso
planeta, através dos processos climáticos e suas contribuições diretas e indiretas no balanço
radiativo da Terra. Ajudam a transportar a chuva para regiões mais distantes do planeta, e o
ciclo hidrológico. As previsões do tempo que existem hoje, só são possíveis devido ao
monitoramento e compreensão das características das nuvens. O estudo sobre a formação
e dispersão das nuvens, é de extrema importância para a previsão do tempo meteorológico
e para as ferramentas que eles possibilitam a sua previsão. Esta importância recai sobre
questões econômicas, operação de energia e produção agrícola, fatores esses que são
influenciados pelo clima.
A atmosfera é a camada gasosa que envolve a Terra. Está dividida em camadas:
Troposfera, Estratosfera, Mesosfera e Termosfera, separado pelas camadas intermediarias
Tropopausa, Estratopausa, Mesopausa e Termopausa. As nuvens se localizam
principalmente na troposfera e podem chegar à baixa estratosfera em caso de tempestades
severas.
O desenvolvimento vertical de nuvens de convecção profunda pode ser capaz de
transportar o vapor d’água na baixa estratosfera, chamada de overshooting. Esse meio de
transporte das nuvens foi estudado no projeto TRO-pico (2012) no IPMet em Bauru com a
aquisição e analise de informações coletadas a partir de balões que voam em altitudes
próximas a tropopausa/baixa estratosfera e medidas de satélites CALIPSO (Cloud-Aerosol
Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) com o instrumento CALIOP (Cloud-
Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) e MEGHA‐TROPIQUES com os instrumentos
SAPHIR (Sounder for Probing Vertical Profiles of Humidity) e MADRAS (Microwave Analysis
and Detection of Rain and Atmospheric Structures) (TRO-pico, 2012). Um dos estudos do
TRO-pico foi realizado para identificar os topos de nuvens e a quantidade de overshooting
durante o período.
15
O satélite CALIPSO foi lançado em abril de 2006 pela NASA e CNES para estudar o
papel que as nuvens e aerossóis desempenham na regulação da qualidade de tempo, clima
e ar da Terra. A bordo do satélite estão três instrumentos de medição: Cloud-Aerosol Lidar
with Orthogonal Polarization (CALIOP), Imaging Infrared Radiometer (IIR) e Wide Field
Camera (WFC) (NASA, 2013b).
Em contrapartida aos satélites, os radares meteorológicos são instrumentos que
podem efetuar uma medida remota na quantificação de chuva. A rede de radares
meteorológicos da UNESP é operada pelo Centro de Meteorologia de Bauru (CMB; antigo
Instituto de Pesquisas Meteorológicas, IPMet), e pode quantificar as precipitações ocorridas
em uma área de 240 km de raio a partir das cidades aonde estão instalados os radares, Bauru
e Presidente Prudente. A resolução espacial dos radares pode chegar a 1 km² suprindo a
deficiência de rede de pluviômetros. Essa crescente onda de interesse em torno dos
parâmetros meteorológicos é identificada na conscientização das atividades humanas em
relação ao meio ambiente.
O uso do Sensoriamento Remoto é importante para obter os dados de chuva (nuvens)
seja de radar com um feixe horizontal ou o satélite com um feixe vertical e reconhecer as
diferenças de banda em que cada ferramenta trabalha e identifica as nuvens e suas
características, obtendo uma maior confiabilidade nos dados obtidos e nos resultados que
elas proporcionam.
16
2.OBJETIVOS
2.1 - Objetivos gerais
O objetivo deste estudo é o de validar os topos de nuvens identificados a partir da
comparação entre os dados de Radar meteorológico Doppler com os dados obtidos do
sistema CALIOP a bordo do satélite CALIPSO.
2.2 – Objetivos específicos:
Comparar as medidas de CALIOP de topos de nuvens com os topos dos ecos
detectados pelo Radar meteorológico (gotas de chuva ≥0,15 mm/h).
Estabelecer uma relação entre a altura do topo dos ecos do radar e topo de
nuvem de CALIOP da mesma celula.
Considerar a refletividade mínima da celula detectada, em relação a distancia
do radar.
Estimar a quantidade de células dentro do alcance quantitativa dos radares
(240 km cada), penetrando a tropopausa e entrando na baixa estratosfera
(“overshooting”).
17
3 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 – Sensoriamento Remoto
O Sensoriamento Remoto é a ciência de obter informações sobre determinados alvos
à distância através do registro da interação da radiação eletromagnética, sem contato físico
com o objeto. Envolve a detecção, aquisição e análise da energia eletromagnética emitida ou
refletida pelo objeto (JENSEN, 2009). O Sol é a principal fonte de radiação para o nosso
planeta e, devido à sua elevada temperatura é gerada uma grande quantidade de energia
irradiada para todo o espaço. O espectro eletromagnético está organizado de maneira
continua em função do comprimento de onda ou de sua frequência.
As ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo, não necessitando de um meio.
Estão divididos em ordem crescente de comprimento de onda, e mostrados na figura 1, onde
se destacam os Raios Gamas, Raio X, Ultravioleta, Visível (luz), Infravermelho, Microondas
e Radio (MORAES, 2002). A freqüência de onda está ligada ao comprimento de onda do
espectro, o menor comprimento de onda tem uma maior freqüência.
Figura 1: Espectro Eletromagnético.
Fonte: INPE http://www.dgi.inpe.br/ndc/html/s24112008/Bernardo/Introducao_SR-s24112008.pdf
A radiação solar atinge a Terra onde é em parte refletida de volta para o espaço em
formas de energia. A base do sensoriamento remoto é a detecção das alterações sofridas
pela radiação eletromagnética quando esta interage com os componentes do objeto estudo.
18
Para obter a medida é registrado o fluxo radiante do sensor e o fluxo refletido em
direção ao sistema sensor (SAUSEN, 2005). Conhecer como esse fluxo se modifica
espectralmente e espacialmente numa determinada área é importante para conhecer as
propriedades do objeto de estudo. Os dados podem ser obtidos através de sensores passivos
ou ativos. O Sensor Passivo capta a energia refletida ou emitida de um alvo que foi iluminado
por uma fonte de radiação externa, geralmente o Sol. O Sensor Ativo emite um sinal, que ao
atingir um objeto registra o sinal refletido, avaliando a diferença entre sinal emitido e recebido.
3.2 – Radar
O RADAR (RAdio Detection And Ranging) meteorológico é um instrumento de
Sensoriamento Remoto que tem a função de localizar alvos, ou seja precipitação, através do
envio de ondas eletromagnéticas. O Radar banda S utilizado, trabalha no comprimento de
ondas microondas de 10 cm. O Radar possibilita três tipos de produto, a imagem Plan
Position Indicator (PPI), Range-Height Indicator (RHI) ao longo de um azimute fixo e em
Constant Altitude Plan Position Indicator (CAPPI). O produto PPI é gerado a partir de uma
volta completa (360°) em torno do seu eixo, demonstrando a localidade das chuvas, e é
utilizado para se monitorar precipitação ocorrendo a longas distâncias, ou seja, com alcance
de até 450 km sendo utilizado para vigilância meteorológica (figura 2).
Figura 2 – Princípio do radar meteorológico, mostrando o feixe de radar relativo a superfície da terra
atingindo grandes distâncias.
Fonte: IPMet http://www.ipmet.unesp.br/index2.php?menu_esq1=&abre=ipmet_html /saibamais/
radar.htm
19
O CAPPI é um produto gerado através de várias varreduras completas do radar
(360°), com ângulos de elevação diferentes, por exemplo, de 0,3° a 45° (varredura
volumétrica 240 km) em relação ao horizonte. De cada elevação é extraído um anel de
informações. Combinando os PPIs de todas as elevações, tem-se uma varredura volumétrica
a cada 7,5 min, e um campo de precipitação de 240 km de raio, a partir do radar, com altura
média e amostragem constante (figura 3).
Figura 3 – Movimento da antena (esq) e composição do CAPPI (dir).
Fonte: IPMet http://www.ipmet.unesp.br/index2.php?menu_esq1=&abre=ipmet_html/saibamais/
radar.htm
Os radares utilizados para esse estudo foram operados e mantidos pelo antigo IPMet,
hoje Centro de Meteorologia de Bauru, da UNESP, e estão instalados nos municípios de
Bauru (BRU) e Presidente Prudente (PPR), localizados na área central e oeste do estado de
São Paulo, respectivamente (figura 4).
Estes radares são sistemas que possuem capacidade Doppler, permitindo não só a
determinação das intensidades de precipitação pluvial, mas também indicando a velocidade
dos movimentos das gotas de precipitação ao longo das radiais, isto é, se as partículas estão
se movendo em direção ao radar ou se estão se afastando do radar. Desta forma o
processamento do radar Doppler tem desempenhado um importante papel na meteorologia
(GOMES, 1993).
20
Uma vez que os radares disponibilizam rotineiramente e de forma automática os
produtos gerados, torna-se factível utilizá-los para análise e caracterização, não só da
ocorrência desses eventos, mas também para se determinar a magnitude com que os
mesmos são observados (LEAL, 2008).
Figura 4- Rede de radares Doppler do IPMet (BRU = Bauru; PPR = Presidente Prudente),
mostrando os anéis de 240km (alcance quantitativa) e 450km (alcance de vigilância).
Fonte: Held et al. (2012)
3.3 – Satélite CALIPSO
O satélite CALIPSO foi desenvolvido em parceria da National Aeronautics and Space
Administration (NASA) com a agencia espacial francesa Centre National d'Etudes Spatiales
(CNES), pertence a um conjunto de satélites chamados de A-Train (A- Constellation)
(WINKER et al., 2002, 2004).
A-Train foi formado pelos satélites Aura, GCOM-W1, PARASOL, OCO2, CloudSat,
CALIPSO e Aqua (figura 5). Os satélites foram lançados em datas diferentes, mas foram
21
colocados em orbitas sincronizados com poucos minutos de diferença, permitindo que as
missões tenham medidas quase simultâneas de uma grande variedade de parâmetros..
Figura 5: A-Train Constellation.
Fonte: NASA http://www.nasa.gov/mission_pages/a-train/a-train.html#.U9Fs3-NdXaA
O CALIPSO possui a bordo o sistema LIDAR (Light Detection And Ranging)
denominado CALIOP (Figura 6), capaz de identificar aerossóis e nuvens através de uma
distribuição vertical (WINKER et al., 2002, 2004). Foi lançado no dia 28 de abril de 2006 e
seus primeiros feixes ocorreu em 7 de junho de 2006 (NASA, 2013a). Segundo Lopes (2011),
em um dia o CALIPSO percorre 14,55 voltas em torno da Terra e perfaz a cobertura total do
globo em 16 dias de medidas.
22
Figura 6: Orbita CALIPSO, feixe vertical do CALIOP.
Fonte: NASA http://www.nasa.gov/images/content/329173main_CALIPSO-a-train-full.jpg
Sua órbita em torno da Terra está aproximadamente em 705 km de altitude, em órbita
do tipo Polar e sincronizado com o Sol, cruzando a linha do Equador em torno das 13h30min
no horário local. O principal instrumento carregado a bordo do satélite é o sistema de
sensoriamento remoto ativo Lidar denominado CALIOP.
O CALIOP é formado por duas unidades (Figura 7), ou seja, os sistemas de
transmissão e de recepção. O sistema de transmissão é composto por dois lasers idênticos
que operam no comprimento de onda de 1064 nm e com geração do sinal de segundo
harmônico em 532 nm e opera em uma frequência de 20,16 Hz. A energia por pulso é de 220
mJ para 1064 nm e 110 mJ para 532 nm e estão abrigados, dentro de um compartimento
preenchido com ar seco a uma pressão atmosférica padrão de 16 psi (HUNT et al., 2009). O
feixe gerado pelo laser chega à superfície com cerca de 70 m de diâmetro. O sistema de
recepção é composto por um telescópio de 1 metro de diâmetro que direciona a radiação
retroespalhada para um conjunto de instrumentos ópticos. O sinal de retorno em 532 nm é
23
separado em dois sinais, em perpendicular e paralelo, eles passam por um conjunto de filtros
de 35 nm para bloquear o ruído solar, o retorno do retroespalhamento em 1064 nm é
direcionado diretamente e utiliza um filtro de 100 nm para o ruído solar (LOPES, 2011). No
canal do infravermelho é utilizado um fotodiodo avalanche (APD) que detecta os sinais de
fótons e os transforma em sinal elétrico.
O feixe de laser é enviado em direção à superfície da Terra e o telescópio captará em
seguida o sinal retro-espalhado por nuvens e aerossóis, que será direcionado para um
sistema óptico com capacidade de separar os feixes de retorno e filtrar os comprimentos de
onda de interesse, digitalizando o sinal e sendo armazenado em um computador a bordo do
satélite. Resolução dos dados brutos de 30 m para os dados de 532 nm e de 60 m para os
dados de 1064 nm. (WINKER et al. 2004).
Figura 7: Instrumento CALIOP.
Fonte: NASA http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/images/cleanroom.jpg
24
3.4 – LIDAR
LIDAR é um acrônimo para Light Detection And Ranging, e utiliza um processo
semelhante do Radar. O Radar ao emitir o pulso de energia está utilizando as ondas de rádio
para a detecção do alvo. O LIDAR utiliza como fonte de energia um Laser. Um laser emite
um feixe de luz para o alvo a ser estudado, para cada partícula é refletida uma porção
diferente de energia. A partir dessa detecção da energia refletida é possível calcular a
concentração dos particulados e aerossóis. O funcionamento do LIDAR pode ser
observado através da citação a seguir:
Um pulso de luz ao ser enviado para atmosfera sofre interação
com moléculas e partículas que agem como espalhadores, uma
porção dessa radiação é espalhada no caminho de volta do
sistema Lidar (180º), essa radiação retroespalhada é captada por
um telescópio e focalizada em um sistema de detecção que
realiza a medida do sinal (Lopes, 2011).
Sendo assim o Lidar e o Radar são ferramentas de Sensoriamento Remoto ativas, se
utilizam de uma fonte interna para a detecção do alvo.
25
4 - METODOLOGIA
O trabalho foi realizado nas dependências do IPMet, por que ser necessária a
utilização do software instalado com a licença do SIGMET (SIGMET, 2005) no computador
“PC-Iris”. O estudo foi determinado pelo período em que colaboradores franceses
participaram da campanha TRO-Pico em março de 2012 no IPMet, Campus da UNESP, em
Bauru, como um dos objetivos coletar informações durante o período de lançamentos dos
balões estratosféricos realizados nessa campanha.
Um estudo semelhante foi realizado para a campanha de lançamento de balão em
2004, parte do projeto HIBISCUS, onde se fez a primeira tentativa de identificar os topos e
overshootings na área do radar de Bauru. A campanha HIBISCUS abrangeu o período 21 de
janeiro – 11 de março de 2004 e identificou um total de 122.384 topos de eco nas áreas do
Radar de Bauru, mas o número dos “overshoorts” (água transportada para baixa Estratosfera)
ocorridos não foi analisado, porque a ênfase foi dada para a variação diurna dos topos
(POMMEREAU e HELD, 2007). Durante as campanhas do TRO-pico foram identificados um
total de 147.248 topos de ecos, sendo 820 overshootings nas áreas do Radar BRU, e 72.986
com 204 overshootings, em 2012 e 2013, respectivamente.
4.1 – Primeira campanha
Ocorreu no período de 02 a 19 de março de 2012, entretanto durante esse período o
sistema CALIOP foi desligado devido às intensas tempestades solares, que poderiam
danificar o instrumento. Para testar o método, foram analisadas 16 passagens do satélite, de
dezembro de 2010 a janeiro de 2011, na área de alcance dos 240 km dos radares do IPMet,
para estabelecer uma metodologia adequada e comparar diferentes medidas. As análises
foram realizadas a partir do software proprietario Interactive Radar Information System (IRIS)
de propriedade da SIGMET Inc. (SIGMET, 2005), que controla a coleta, geração e o
armazenamento dos dados coletados pelos radares Doppler do IPMet, permitindo a obtenção
de uma vasta quantidade de produtos derivados da refletividade e velocidades radiais.
Após a obtenção de todos os dados de passagens do satélite foram gerados CAPPIs
(Constant Altitude Plan Position Indicator) 3,5 km com intervalos de 7,5 minutos utilizando
limiares de refletividade de -6 dBz à 54 dBz e mapas de topo dos ecos com cortes verticais
até 20 km de altitude. Com isso consegue-se "varrer" completamente a atmosfera, desde
próximo ao solo até o topo das células. De cada elevação é extraído um anel de informações
cuja altura média corresponde a um valor pré-estabelecido. Agrupando-se sequencialmente
os anéis de todas as varreduras, tem um campo de precipitação de 240 km de raio. Através
das imagens do satélite, tem se as coordenadas geográficas (Figura 8), possibilitando assim,
a criação de um overlay que será utilizado para a análise das imagens no IRIS. Cada imagem
26
possui seu próprio overlay. Para facilitar a criação do overlay com o Software IRIS, foi utilizado
o Google Earth, como ferramenta de criação das coordenadas (Figura 9a).
Figura 8. Imagem mostrando a seção vertical gerada pelo CALIOP sobre a região de alcance dos
radares (Fig. 2) no dia 26 de dezembro de 2010 (17:20:42-17:22:12 UT).
Altura – escala log; Níveis da temperatura (K) (escala a direta: Lidar signal ratio (escala log arbitraria,
em cores)). A seta indica o ponto de coordenada utilizada.
Fonte: Fonte: ICARE - http://www.icare.univ-lille1.fr/calipso/browse/
27
Figura 9. Exemplo para testar o método da análise para o do dia 26 de dezembro de 2010:
a) Rastro do CALIPSO no mapa de Google Earth (17:20:42-17:22:12 UT);
b) Rastro do CALIPSO no software IRIS, CAPPI composto por BRU e PP;
c) localização do corte vertical às 14:16:08 HL (17:16 UT);
d) Perfil vertical do corte, mostrando um topo de eco de 15 km.
Fonte: O autor
A comparação é feita através das imagens de Radar e do satélite, utilizando alguns
parâmetros: topos (altitude), refletividade e temperatura. Estes parâmetros são importantes,
pois através deles, é possível definir a formação e o desenvolvimento da nuvem.
4.2 – Segunda campanha
Realizada de 18 de janeiro a 13 de fevereiro de 2013. Para essa campanha, os
procedimentos de obtenção dos dados foram utilizados a mesma metodologia da primeira.
Foram identificadas as trajetórias de orbita do CALIPSO com a obtenção das imagens do
CALIOP (Figura 10) do período de dezembro de 2012 a fevereiro de 2013, retiradas do site
da Universidade Lille (CNRS, 2013) têm-se as coordenadas geográficas, possibilitando a
criação de um overlay da trajetória do CALIPSO que será utilizado para a análise das
imagens utilizando o software IRIS.
a) b)
c) d)
28
Figura 10: Trajetórias de orbita do CALIPSO com a obtenção das imagens do CALIOP –
22/01/2013. Fonte: ICARE - http://www.icare.univ-lille1.fr/calipso/browse/
Através das coordenadas foram gerados arquivos “overpass” no software do Google
Earth, em formato kml (Figura 11) para melhor visualização e escolha dos dias que a orbita
passa no alcance dos radares. Cada overpass tem seção de 610km em 1 minuto e 30
segundos.
29
Figura 11: Raios (240 km) dos radares de BRU e PP e “overpass” no software do Google Earth –
22/01/2013.
Fonte: O autor
Após a obtenção de todos os dados brutos durante o overpass do satélite dentro da
área de alcance dos radares, foram gerados CAPPIs 3,5 km com intervalos de 7,5 minutos e
valores de refletividade com limiar variando de -6 dBZ à 54 dBZ e CAPPIs de TOPO até 20
km de altitude, o cursor “+” vai identificar o pixel em que vai ser realizado a medida através
das ferramentas disponíveis do software, como as informações geradas na janela sobre a
imagem (Figura 12). Os dados utilizados foram gerados pelos radares de Bauru e Presidente
Prudente.
Figura 12: TOPOs dos ecos até 20 km de altitude – 10 de fevereiro de 2013.
Fonte: O autor
30
5 – PROCESSAMENTO DOS DADOS
5.1 Processamento de dados do RADAR
Para o processamento dos dados, foram obtidos os dados brutos do Radar, gravados
no CDs. Os dados são copiados na máquina PC-Iris, através da ferramenta “archive menu”
(Figura 13).
Figura 13: Ferramenta Archive Menu – IRIS.
Fonte: O autor
O dado localizado no “archive menu” é necessário transferir para a Ferramenta
“ingest” (Figura 14) onde vai estar disponível para o processamento e configuração dos
produtos.
31
Figura 14: Ferramenta Ingest Sumary – IRIS.
Fonte: O autor
Após confirmação dos arquivos na ferramenta “ingest”, foi realizado a criação dos
produtos “CAPPI” e “TOPS” na ferramenta “scheduler” (Figura 15).
Figura15: Ferramenta Scheduler – IRIS.
Fonte: O autor
A configuração feita através da ferramenta Scheduler do produto CAPPI 3,5 km, 16
elevações de 0,3° a 45° e alcance de 240 km (Figura 16).
32
Figura 16: Configuração produto CAPPI 3,5 km – Scheduler – IRIS.
Fonte: O autor
A configuração do produto TOPS contem 16 elevações de 0,3° a 45° e alcance de
240 km feita através da ferramenta Scheduler com 0 a 25,3 km de altura (Figura 17).
Figura 17: Configuração produto TOPS – Scheduler – IRIS.
Fonte: O autor
Após a configuração, o produto foi gerado a partir da data escolhida. Para visualizar
os dados, entra na plataforma de visualização dos IRIS, e se busca o arquivo CAPPI ou TOP.
5.2 - Processamento de dados CALIOP
33
Os dados foram obtidos no site da NASA - Earth Observing System Data and
Information System (EOSDIS). O processamento foi realizado no software Mathematica e a
visualização dos dados numéricos no software HDFview. Na figura 18, o ponto central na
latitude -21.93°, do dia 17 de dezembro de 2012, extensão de 10 km, 5 km para cada lado do
ponto central.
Figura 18: 5 km de extensão a partir do ponto central (linha vermelha) para cada lado, latitude -21.93°.
Fonte: O autor
Resultado do mesmo produto bruto do CALIOP, configurado cm uma extensão de 100
km centrados na latitude -21.93° (Figura 19)
Figura 19: 50 km de extensão para cada lado a partir do ponto central (linha vermelha), latitude -23,93°.
Fonte: O autor
Os dias em que ocorreu passagem do CALIOP na área do Radar e chuva foram
identificados no período de dezembro de 2010 a janeiro de 2011 e de dezembro de 2012 a
fevereiro de 2013. Foram 18 passagens do satélite na 1º campanha e 5 passagens na 2º
campanha em que a trajetória do CALIOP atravessou áreas de chuva observados pelos
radares. Para análise foram baixados os dados brutos de CALIOP e visualizados no HDFview.
34
O software permitiu identificar cada célula de latitude e longitude do CALIOP (Figura 20), a
célula 2124 é o ponto de referência obtido no Radar para comparação do dia 17 de dezembro
de 2012.
Figura 20: Latitude e longitude da célula 2124, software HDFview.
Fonte: O autor
Para obter o layer top de altitude do CALIOP, foi localizado a célula 2124. Essa
identificação foi realizada para todos os dias de trajetória do CALIPSO. Uma tabela foi
organizada para todos os dias, identificando através da latitude e longitude de cada dia. No
radar foram gerados todos os dias em que houve trajetória do CALIOP em sua área de 240 km
de raio, o produto de topo e CAPPI. Através desse produto foi obtida a latitude e longitude da
célula de chuva identificada pelos dois sistemas, Radar e CALIOP. Para isso, foram gerados
overlays da trajetória do CALIOP e inseridos no software do Radar (Figura 21).
35
Figura 21: Produto de topo dos ecos do Radar, e overlay da trajetória do CALIOP – 17 de dezembro
de 2012 – Informações da janela “Cursor Tool” retiradas do local do cursor “+”
Fonte: O autor
Todos os dias de trajetória do CALIOP foram processados, entretanto não foram todos
que atravessaram a área de alcance do Radar. Os overlays foram gerados no software Google
Earth para justificar confirmando a orbita do CALIOP (Figura 22).
36
Figura 22: Trajetória do CALIOP não passa na área do Radar.
Fonte: O autor
Os dias em que houve trajetória do CALIOP na área do Radar, e não foram
identificadas chuva, também foram processados (Figura 23).
37
Figura 23: Sem ocorrência de chuva na trajetória do CALIOP.
Fonte: O Autor
38
6. RESULTADOS
Nos primeiros testes foi utilizada a resolução disponível do LIDAR de 70 km sobre o
trajeto, sendo 35 km para cada lado do overlay. Assim, a partir dos dados gerados no Radar,
alguns deles não obtiveram a coordenada exata da passagem do CALIOP nesse período de
tempo. Na imagem do dia 03 de dezembro de 2010, conseguiu-se um ponto de coordenada
muito próximo entre Radar e CALIOP (Figura 24), O cursor identificado como um “+” é o local
em que o software IRIS retira a informação, e o mesmo foi ajustado manualmente, buscando
o melhor lugar para comparação. Na janela de informação sobre a imagem, é possível
identificar as coordenadas e o valor do topo registrado.
Figura 24: Janela “Cursor Tool” e Cursor “+” – Topo 11,5 km 3 de dezembro de 2010, 17:16UT
Fonte: O autor
A coordenada do CALIOP para essa mesma seção, foi localizada na latitude -23,16° e
longitude -49,03°, a célula de identificação do dado bruto 10349 (Figura 25).
39
Figura 25: Dado bruto de 3 de dezembro de 2010, no software HDFView – Latitude, Longitude e
Altitude.
Fonte: o autor
O topo identificado pelo Radar foi de 11,5 km e o topo identificado pelo CALIOP de
15,66 km. O Radar identifica apenas o que considera como chuva, seguindo um parâmetro
de configuração mínimo, e a partir do momento em que o Radar não registra mais esse
requisito, deixa de considerar o objeto como chuva, mas sabe-se que ali existem nuvens e
aerossóis podendo ter quilômetros de extensão, já o CALIOP identifica o objeto através do
feixe de luz e tem por base para sua medida a refletividade registrada no equipamento após
a passagem da mesma pelos aerossóis, essas formas distintas culminam na diferença
observada. Essa diferença é de 4 km e é uma ótima medida para explicar os processos de
identificação entre os topos de chuva, identificado pelo Radar e os topos de nuvem,
identificado pelo CALIOP.
Para a mesma imagem do dia 03 de dezembro de 2010, foi realizado uma outra coleta
de dados em um ponto diferente (Figura 26). O cursor “+” se localiza a uma distância visível
da trajetória da orbita. A coordenada identificada pelo Radar e o topo pode ser visualizado
na janela de informação.
40
Figura 26: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 03 de dezembro de 2010, 17h16UT.
Fonte: O autor
A coordenada mais próxima do CALIPSO foi identificada a célula 10408 (Figura 27),
através da latitude do Radar -22,6362° e do CALIOP -22,6367°. A longitude ficou distante
prejudicando a análise dessa passagem, Radar -49.2071° e CALIOP -49.1625°. O topo
registrado no Radar foi de 17,5 km e no CALIOP de 15,54. Na figura 26 é visível notar a
distância entre o overlay da trajetória do CALIPSO e o cursor “+” do Radar.
Figura 27: Dados CALIOP de 3 de dezembro de 2010 no software HDFView, Latitude, Longitude e
Altitude.
Fonte: O autor
41
Para a passagem do dia 12 de dezembro de 2010, o Radar identificou um núcleo de
chuva na trajetória do overlay, encontrando um ponto de coordenada muito próximo entre o
Radar e CALIOP (Figura 28).
Figura 28: Topo do Radar, e overlay da trajetória do CALIOP – 12 de dezembro de 2010, 17h08UT
Fonte: O autor
A passagem do CALIOP foi muito satisfatória, sendo um ponto de coordenada muito
próxima da medida no Radar. As latitudes do Radar e CALIOP respectivamente foram -
23,7709° e -23,7700° e longitudes de -47,3589° e -47,3695°. A Célula de identificação do
CALIOP 10392 (Figura 29). O topo identificado no CALIOP foi de 16,86 km e no Radar de
10,5 km. Um ponto de coordenada muito próxímo, sendo um ótimo dia para fins de
comparação.
42
Figura 29: Dados CALIOP de 12 de dezembro de 2010, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
Figura 30, uma imagem de satélite GOES (T_Realce) para ver a temperatura maxíma
da célula de nuvem e relacionar com o topo identificado pelo CALIOP.
O CALIOP pode ter identificado pequenas areas de nuvens cirrus acima do nucleo de
chuva. Aproximadamente a celula identifica entre -50° e -60°C, a essa temperatura as nuvens
estão a uma altitude de 12,0 – 13,5 km bem abaixa da tropopausa (17,5 km).
Figura 30: Imagem de Satelite GOES (T_Realce) do dia 12 de dezembro de 2010, 16:30 UT. A seta
indica a célula entre -50° e -60°C
Fonte: adaptado de CPTEC/DSA, 2010.
43
A imagem do dia 26 de dezembro de 2010 (Figura 31), identifica o ponto de
intersecção entre os dois instrumentos. O topo identificado pelo Radar foi de 17,5 km na
latitude -22,3769° e longitude -50,7944°.
Figura 31: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP, 26 de dezembro de 2010, 17h23UT.
Fonte: O autor
Os dados do CALIOP (Figura 32) identificaram um topo de 14,04 km de altitude, latitude
-22,3749° e longitude -50,8084°.
Figura 32: Dados CALIOP de 26 de dezembro de 2010, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
44
Para entender como o Radar identificou um topo maior que o CALIOP, foram feitos
cortes na imagem do topo (Figura 33).
Figura 33: Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 26 de dezembro de 2010, 17h23UT.
Fonte: O autor
Esse corte resulta em uma imagem vertical da célula de chuva (Figura 34), ferramenta
“make cut” do software IRIS.
Figura 34: Seção de corte vertical da célula de chuva – 26 de dezembro de 2010.
Fonte: O autor
Na imagem de corte é possível identificar um topo acima de 15 km, e as suas áreas
em volta podendo chegar até próximo de 5 km. Para tentar entender essa diferença pode-se
levar em consideração a diferença de resolução de cada instrumento. O Radar possui uma
45
resolução de 250 m e o CALIOP de 1 km. Apesar de possuir os dados digitais do CALIOP, o
local de intersecção dos instrumentos é próximo, mas não exato. E pela chuva não ser
homogênea, a diferença de 0,01° na longitude pode ter ocasionado essa alteração no
resultado. Na figura 35, imagem de satélite GOES (T_Realce), demonstra a célula de chuva
com temperatura entre -50° e -60°C, a esta temperatura a nuvem se localiza a
aproximadamente de 12 a 13 km de altitude. O Radar pode ter encontrando um ponto de pico
da chuva devido a sua alta resolução espacial.
Figura 35: Imagem de Satélite GOES (T_Realce) do dia 26 de dezembro de 2010, 16:30 UT. A seta
demonstra a célula de chuva com temperatura entre -50° a -60°C
Fonte: adaptado de CPTEC/DSA, 2010.
Na imagem do dia 26 de dezembro de 2010, foi realizada uma segunda análise em
outra célula de chuva na mesma trajetória do CALIPSO. Foi encontrado o topo de 13,5 km
na latitude -21,5502° longitude -50,9789° (Figura 36). Nessa imagem, é possível visualizar
que o ponto de intersecção não está próximo do overlay do satélite.
46
Figura 36: Topo dos ecos do Radar e overlay da trajetória do CALIOP, 26 de dezembro de 2010,
17h23UT
Fonte: O autor
O valor mais próximo que o CALIOP identificou para essa coordenada foi de topo
13,92 km, célula 10655 no HDFView latitude -21,5604° e longitude -51,0009° (Figura 37).
Figura 37: Dados CALIOP de 26 de dezembro de 2010, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
47
. A imagem do dia 11 de janeiro de 2011 (Figura 38), identificou um núcleo de chuva
na coordenada latitude -22,5709° e longitude -50,7631°, um topo de 10,5 km. O ponto de
intersecção está próximo a trajetória do satélite.
Figura 38: Topo dos ecos do Radar e overlay da trajetória do CALIOP, 11 de janeiro de 2011,
14h23UT.
Fonte: O autor
O CALIOP identificou para essa área, a célula mais próxima 10328 (Figura 39), com
latitude -22,5799°, longitude -50,7460° e topo de 12,67 km.
Figura 39: Dados CALIOP de 11 de janeiro de 2011, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
48
Essa diferença de longitude pode invalidar a análise, para ver a oscilação do topo foi
realizado um corte vertical nesse núcleo de chuva no Radar (Figura 40). O corte feito pela
ferramenta “make cut”, e permitiu visualizar a chuva na mesma posição em que percorre a
trajetória do satélite.
Figura 40: Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 11 de janeiro de 2011.
Fonte: O autor
O resultado do corte vertical (Figura 41) mostra um topo acima de 10 km. Isso
demonstra que o topo da chuva se manteve acima dos 10 km próximos da área em que foram
retirados os dados para comparação com o CALIOP.
Figura 41: Seção de corte vertical da célula de chuva – 11 de janeiro de 2011.
Fonte: O autor
49
Na figura 42, imagem de satélite GOES (T_Realce), demonstra a célula de chuva com
temperatura entre -40° e -50°C, a esta temperatura a nuvem se localiza a aproximadamente
12 km de altitude.
Figura 42: Imagem de Satélite GOES (T_Realce) dia 11 de janeiro de 2011, 17:15 UT. A seta indica
a célula de chuva com temperatura entre -40° e -50°C.
Fonte: adaptado de CPTEC/DSA, 2010.
A imagem do dia 22 de janeiro de 2011, um grande núcleo de chuva foi identificado no
Radar (Figura 43). O processamento dos dados foi realizado e o ponto de intersecção ficou
próximo do overlay do satélite. O topo identificado nas coordenadas, latitude -21,1013° e
longitude -50,2430°, foi de 11,5 km.
50
Figura 43: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 22 de janeiro de 2011, 03h01UT.
Fonte: O autor
O CALIOP identificou a coordenada mais próxima desse ponto do Radar, a célula
13686 (Figura 44), o topo de 14,89 km, latitude -21,1024° longitude -50,2743°.
Figura 44: Dados CALIOP de 22 de janeiro de 2011, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
Para visualizar a oscilação do nível do topo, foi realizado o corte vertical dessa chuva
(Figura 45).
51
Figura 45: Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP, 22 de janeiro de 2011.
Fonte: O autor
O resultado (Figura 46) do corte mostra um nível de topo em que se mantêm entre 8 e
10km. Assim mesmo que exista uma distância de 0,03°, entre as longitudes na comparação,
a chuva se manteve homogênea.
Figura 46: Seção de corte vertical da célula de chuva – 22 de janeiro de 2011.
Fonte: O autor
Para a mesma imagem, foi obtido um ponto de coordenada diferente (Figura 47), o
ponto de intersecção foi colocado na coordenada (-21,4691°, -50,3484°), e um topo de
10,5 km, próximo a trajetória do satélite.
52
Figura 47: Topo dos ecos do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 22 de janeiro de 2011
Fonte: O autor
O CALIOP identificou a coordenada mais próxima desse ponto do Radar, na célula
13726 (Figura 48), o topo de 15,36 km, com latitude -21,4612° e longitude –50,3584°.
Figura 48: Dados CALIOP de 22 de janeiro de 2011, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
53
A imagem do dia 24 de janeiro de 2011 (Figura 49) identifica um núcleo de chuva na
coordenada latitude -21,4328° e longitude -47,1856°, um topo de 9,5 km. No ponto de
intersecção entre o CALIOP e o Radar é possível ver uma distância da trajetória. Essa análise
não foi utilizada para a comparação entre os sensores.
Figura 49: Topo dos ecos do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 24 de janeiro de 2011,
04h46UT.
Fonte: O autor
A imagem do dia 05 de fevereiro de 2011 identifica um núcleo de chuva no Radar
(figura 50), na trajetória do overlay do satélite. O topo identificado nas coordenadas, latitude -
23,7295° e longitude -48,8947°, foi de 10,5 km.
Figura 50: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de 2011, 17h16UT.
Fonte: O autor
54
O CALIOP identificou a coordenada mais próxima desse ponto do Radar, a célula
9471 (Figura 51), latitude -23,7250° e longitude –48,8730°, topo de 6,42 km.
Figura 51: Dados CALIOP de 05 de fevereiro de 2011, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
O topo identificado pelo Radar foi de 10,5 km e o do CALIOP de 6,42 km. Para
entender essa diferença foi realizado o corte vertical da chuva (figura 52).
Figura 52: Seção de corte horizontal sobre trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de 2011.
Fonte: O autor
55
O resultado (figura 53) demostra que a chuva tem uma oscilação durante a sua
trajetória. Isso pode explicar a diferença entre os dados de topo entre Radar e CALIOP, além
da diferença de resolução entre os dois instrumentos.
Figura 53: Seção de corte vertical da célula de chuva – 05 de fevereiro de 2011.
Fonte: O autor
Para a mesma data foi realizado um novo ponto de análise (figura 54). O Radar
identificou o ponto de intersecção na coordenada latitude -23,2048° longitude -48,9768°, e um
topo de 9,5 km.
Figura 54: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 05 de fevereiro de 2011, 17h16UT.
Fonte: O autor
Para essa coordenada de comparação o CALIOP (figura 55) identificou a trajetória
mais próxima à célula 9529, latitude -23,2061° e longitude -48,9980° e topo de 10,57 km.
56
Figura 55: Dados CALIOP de 05 de fevereiro de 2011, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
O topo do CALIOP de 10,57 km é maior que o topo do Radar de 9,5 km, diferente da
primeira análise em que o topo do Radar ficou acima do CALIOP. Um corte vertical foi
realizado para ver o comportamento da célula de chuva (figura 56). A chuva tem uma oscilação
de aproximadamente 7,5 e 10 km, diminuindo conforme se afasta do Radar. Esse núcleo de
chuva é mais homogêneo, sendo possível fazer a comparação entre os topos de Radar e
CALIOP.
Figura 56: Seção de corte vertical da célula de chuva – 05 de fevereiro de 2011.
Fonte: O autor
A imagem do dia 17 de fevereiro de 2012 identifica o núcleo de chuva no Radar (figura
57), na trajetória do overlay do satélite. O topo identificado foi de 7,8 km, na coordenada de
latitude -21,9340° e longitude -47,7998°.
57
Figura 57: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 17 de dezembro de 2012, 17h08UT
Fonte: O autor
O CALIOP identificou as coordenadas para latitude -21,9379° e longitude -47,7904°,
o topo de 12,49 km. A célula de identificação 10621 (figura 58).
Figura 58: Dados CALIOP de 17 de dezembro de 2012, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
58
A imagem de Radar do dia 31 de dezembro de 2012 identifica um núcleo de chuva no
Radar (figura 59). O topo identificado é de 13,8 km nas coordenadas latitude -23,8687° e
longitude -50,4700°.
Figura 59: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 31 de dezembro de 2012, 17h23UT.
Fonte: O autor
O CALIOP identificou a coordenada mais próxima, a célula 10342 (figura 60), latitude
-23,8680°, longitude –50,4718° e topo de 8,6 km.
Figura 60: Dados CALIOP de 31 de dezembro de 2012, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
59
A diferença entre os instrumentos, com o topo maior sendo identificado pelo Radar, foi
necessário realizar o corte vertical (figura 61). A célula de chuva tem uma altitude mínima de
aproximadamente 5 km, isso ocorre devido a distância da chuva em relação com o Radar. Ao
se distanciar o feixe sofre uma inclinação no eixo devida a circunferência da Terra.
Figura 61: Seção de corte vertical da célula de chuva – 31 de dezembro de 2012, 17h23UT.
Fonte: O autor
A imagem do dia 13 de janeiro de 2013 (figura 62) identifica um núcleo de chuva na
coordenada: latitude -22,5074° e longitude -47,5351°, um topo de 9,2 km. O ponto de
intersecção está próximo a trajetória do satélite.
60
Figura 62: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 13 de janeiro de 2013, 04h38UT.
Fonte: O autor
O CALIOP identificou para o dia 13 de janeiro de 2013 (figura 63) para a coordenada
mais próxima do ponto do Radar foi identificado o topo de 12,55 km, latitude -22,5012° e
longitude -47,5449°.
Figura 63: Dados CALIOP de 13 de janeiro de 2013, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
61
Na figura 64, imagem de satélite GOES (T_Realce), demonstra a célula de chuva com
uma temperatura entre -40° e -50°C, a esta temperatura a nuvem se localiza a
aproximadamente 10,3 – 11,5 km de altitude.
Figura 64: Imagem de Satélite GOES (T_Realce) do dia 13 de janeiro de 2013: 04:45 UT. A seta indica
a célula de chuva com temperatura de -40° a -50°C
Fonte: adaptado de CPTEC/DSA, 2010
Para a data de 25 de janeiro de 2013, o topo identificado pelo Radar foi de 8,8 km na
longitude -49,5804° e latitude -21,0984° (figura 65).
Figura 65: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 25 de janeiro de 2013,17h16UT.
Fonte: O autor
62
O CALIOP identificou para o dia 25 de janeiro de 2013 (Figura 66) a coordenada mais
próxima do ponto do Radar, o topo de 12,55 km, latitude -21,1090° e longitude -49,5807°.
Figura 66: Dados CALIOP de 25 de janeiro de 2013, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
O núcleo de chuva do dia 27 de janeiro de 2013 identificou o topo de 10,2 km na
coordenada de latitude -21,5130° e longitude -50,4326° (figura 67).
Figura 67: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 27 de janeiro de 2013, 04h53UT.
Fonte: O autor
63
O topo identificado pelo CALIOP (Figura 68) para a mesma foi de 13,74 km na
coordenada de latitude -21,5138° e longitude -50,4461°.
Figura 68: Dados CALIOP de 27 de janeiro de 2013, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
A celula de chuva para o dia 01 de fevereiro de 2013, o Radar identificou um núcleo
de chuva (figura 69) com topo de 7,8 km na latitude -22,6903° e longitude -50,8137°.
Figura 69: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 01 de fevereiro de 2013, 17h23UT
Fonte: O autor
64
Os dados do CALIOP (figura 70) identificaram para a coordenada mais próxima do
Radar o topo 6,57 km, latitude -22,6037° e longitude -50,8127°.
Figura 70: Dados CALIOP de 01 de fevereiro de 2013, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
Esse núcleo de chuva está a 185,5 km de distância do Radar. Devido a isso o feixe de
Radar identifica a altitude mínima de aproximadamente 4 km de altitude. Foi realizado o corte
vertical da célula (figura 71), a célula não mantém uma altitude mínima que possa confirmar
que a diferença de escala entre os dois instrumentos, seja confiável para comparação.
Figura 71: Seção de corte vertical da célula de chuva – 01 de fevereiro de 2013, 17h23UT.
Fonte: O autor
O dia 10 de fevereiro de 2013 identificou o topo de 6,2 km na latitude -22,9518° km e
longitude -49,2231° (figura 72).
65
Figura 72: Topo do Radar e overlay da trajetória do CALIOP – 10 de fevereiro de 2013, 17h16UT.
Fonte: O autor
Os dados do CALIOP localizaram a coordenada mais próxima para essa chuva, à
célula 9351, topo de 11,95 km na latitude -22,9541° e longitude -49,2189° (figura 73).
Figura 73: Dados CALIOP de 10 de fevereiro de 2013, Latitude, Longitude e Altitude.
Fonte: O autor
66
A diferença entre CALIOP e Radar foi de 5,7 km, para entender essa distância entre
os dados, foi realizado o corte vertical (figura 74) e ficou claro que a chuva identificada pelo
Radar está com grande oscilação entre a altitude identificada ao longo da célula.
Figura 74: Seção de corte vertical da célula de chuva – 10 de fevereiro de 2013, 17h16UT
Fonte: O autor
Foi gerada uma tabela com os dados de todas as trajetórias utilizadas (Tabela 1). Para
a comparação entre o Radar e CALIOP as datas de 05 de fevereiro de 2011 e 10 de fevereiro
de 2013, foram excluídas pois demonstraram uma grande oscilação entre topo e altura mínima
da célula. A data de 01 de fevereiro de 2013 foi excluída porque está além de 180 km de
distância do Radar e a célula de chuva não foi identificada de forma homogênea.
67
Tabela 1: Analise dos pontos de coordenadas, identificando topo de Radar e CALIOP
Fonte: O autor
RADAR CALIOP
Data Latitude Long Topo Latitude Long Topo Horario
Overpass
Diferença
Cal-Rad
Não
utilizada
03/12/2010 -23,1617 -49,0539 11,5 -23,1651 -49,0363 15,66 17h14 4,16
12/12/2010 -23,7709 -47,3589 10,5 -23,77 -47,3695 16,86 17h08 6,26
26/12/2010 -22,3769 -50,7944 17,5 -22,3749 -50,8084 14,04 17h20 -3,46
26/12/2010 -21,5502 -50,9789 13,5 -21,5604 -51,0009 13,92 17h20 0,42
11/01/2011 -22,5709 -50,7631 10,5 -22,5799 -50,746 12,67 17h21 2,17
22/01/2011 -21,1013 -50,243 11,5 -21,1024 -50,2743 14,88 04h52 3,38
22/01/2011 -21,4691 -50,3401 10,5 -21,4612 -50,3584 15,36 04h52 4,86
05/02/2011 -23,7295 -48,8947 10,5 -23,725 -48,873 6,42 17h13 X
05/02/2011 -23,2048 -48,9768 9.5 -23,2061 -48,998 10,57 17h13 1,07
17/12/2012 -21,9340 -47,9778 7,8 -21,9379 -47,9704 12,49 17h07 4,69
31/12/2012 -23,8687 -50,47 13,8 -23,868 -50,4718 8,6 17h20 -5,2
13/01/2013 -22,5074 -47,5351 9,2 -22,5012 -47,5448 12,55 04h40 3,35
25/01/2013 -21,0984 -49,5804 8,8 -21,1090 -49,5807 14,64 17h14 5,84
27/01/2013 -21,513 -50,4326 10,2 -21,5138 -50,4461 13,74 17h21 3,54
01/02/2013 -22,6003 -50,8137 7,8 -22,6037 -50,8127 6,57 17h23 - X
10/02/2013 -22,9518 -49,2231 6,2 -22,9541 -49,2189 11,95 17h16 - X
Os dados utilizados foram organizados em um gráfico de altura do topo (Figura 75). O
CALIOP identificou um topo maior que o Radar acima de 90% dos casos. Em média dos 11
casos avaliados, as nuvens ficaram 3,6 km mais alto que o topo dos ecos detectados pelo
Radar. Não foi possível preparar uma estatística exata devido aos problemas de localizar o
mesmo ponto na escala do Radar e do CALIOP.
68
Figura 75: Alturas de topo de Radar e topo de nuvem medido pelo CALIOP (16 casos; tabela 1)
Fonte: O autor
Foram registrados dois casos com a altura do topo de eco do Radar bem acima do
topo da nuvem observado pelo CALIOP (26 de dezembro de 2010, 17h20UT e 31 de
dezembro de 2012, 17h20UT; Tabela 1). Para o primeiro caso, não tem imagens do satélite
GOES (T_Realce) disponível no Banco de Dados do CPTEC, impedindo uma comparação
independente. O segundo caso é o 31 de dezembro de 2012 e Figura 76a mostra a imagem
de T_Realce do satélite GOES e Figura 76b o CAPPI, destacando a mesma célula. Como foi
uma pequena célula isolada, com um forte gradiente da refletividade (cada um dos picos dos
topos de eco tem uma extensão entre 250 e 500 m), uma pequena diferença entre as
coordenadas (especificamente da longitude, Tabela 1) pode resultar que essa célula na
verdade não ficou no caminho do CALIOP, devido a imagem de corte vertical mostrar uma
extensão do eco acima de 10 km em torno de 5 km ao longo da trajetória do satélite.
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Al
tu
ra
(
km
)
Topo Radar
Topo CALIOP
69
a) b)
Figura 76: a) Imagem de Satélite GOES (T_Realce) do dia 31 de dezembro de 2012: 17:30 UT.
b) CAPPI com corte vertical do dia 31 de dezembro de 2012: 17:23 UT. A célula isolada está
destacada com um círculo vermelho.
Fonte: adaptado de CPTEC/DSA, 2010
70
7 - CONCLUSÕES
A comparação dos topos dos ecos de Radar no estado de São Paulo, através da utilização
dos dados dos radares meteorológicos do IPMet e do CALIOP abordo do CALIPSO, não
possibilitou uma quantificação das celulas convectivas penetrando acima da tropopausa e
injetando água em forma liquida (“gotas super-resfriadas”), ou cristais de gelo na baixa
estrastofera, pois não houve casos de overshooting durante o periodo analisado.
Durante as campanhas do TRO-pico, em 2012 e 2013, respectivamente, foi identificado
um total de 147.248 topos de ecos, com 820 overshootings, e 72.986 com 204 overshootings nas
áreas do Radar de Bauru. A análise comparativa do topo de eco do Radar com os topos de
nuvens determinado pelo lidar CALIOP do satélite CALIPSO, proporcionaram uma oportunidade
para diferenciar a capacidade de resolução e escala entre os dois intrumentos. Com a
quantificação das células com overshooting é possível se estimar a quantidade de água
disponível na baixa estratosfera para o transporte regional e ultimamente global, também
possibilitando e facilitando reações químicas com aerossóis e gases traços.
Na primeira fase, a comparação foi feita através das imagens de Radar e do satélite,
utilizando alguns parâmetros: topos (altitude) e refletividades dos ecos versus a altura e
temperatura das nuvens detectadas pelo satélite e pode-se testar uma metodologia a ser utilizada
durante a pesquisa. Foram identificados os dias em que ocorre precipitação na área do Radar
coincidente com a trajetória do CALIPSO. Essa primeira fase se mostrou satisfatória na
identificação das trajetórias e precipitação para uma comparação qualitativa.
Na segunda fase foram obtidos os dados brutos do CALIOP com resolução de 1 km.
Infelizmente, os dados brutos de 30 e 60m não foram liberados pela NASA. Assim a comparação
entre os dois instrumentos ficou prejudicada, considerando o objetivo desse projeto. Com os
dados digitais foi possível realizar o processo da comparação quantitativa dos topos. A
comparação se mostrou satisfatória. Durante o período analisado o CALIOP identificou em 90%
dos casos uma camada de altitude maior do que o Radar. Em média dos 11 casos avaliados, as
71
nuvens ficaram 3,6 km mais alto que o topo dos ecos detectados pelo Radar. Essa diferença é
explicada devido ao limiar imposto ao Radar para que ele considere um nucleo com uma celula
de chuva, enquanto o CALIOP detecta goticulas de nuvens. Devido à baixa quantidade de
tempestades nos meses de estudo, sendo reconhecido um período atípico com forte seca, não
ocorrendo bons casos para que houvesse overshooting. Conseqüentemente não foi possível
preparar uma estatística detalhada devido aos problemas de localizar o mesmo ponto na escala
do Radar e do CALIOP e por falta de casos de overshooting.
Esse estudo contribui para expor a area de atuação de cada instrumento, sendo
necessario estimar o objetivo de cada estudo para escolher a melhor opção de dados relacionado
a identificação de chuva. A análise comparativa proporcionou uma oportunidade unica para a
validação desses dados gerados e também uma forma adicional para as aplicações das
informações de Radar.
72
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CPTEC/DSA, 2010. Banco de Dados de Imagens, Divisão de Satélites e Sistemas
Ambientais. http://satelite.cptec.inpe.br/acervo/meteosat.formulario.logic Acesso em: 2013
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GOMES, A. M. Tópicos em Meteorologia com Radar. Bauru: IPMet,1993.
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. Acesso em: 2012.
JENSEN, J. R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: uma perspectiva em Recursos
Terrestres// Remote sensing of the envirnment: an earth resource perspective. Tradução de J.
C. N. Epiphanio. São José dos Campos, SP: Parênteses, 2009.
LEAL, D. C. Estruturas de tempestades severas: estudos de caso. Ourinhos: Trabalho de
conclusão de curso, Campus Experimental de Ourinhos, UNESP, 2008. pp. 4
LOPES, F. J. S.. Validação dos dados do satélite CALIPSO utilizando um sistema lidar
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Tecnologia Nuclear - Materiais, São Paulo: Universidade de São Paulo, 2011. pp. 72-74.
MORAES, E. C . Fundamentos de sensoriamento remoto. INPE, 2002.
NASA. CALIPSO. Disponível em:
Acesso em: 25 de julho de
2013a.
NASA. National Aeronautics and Space Administration Disponível em:
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POMMEREAU J-P and HELD G. Is there a Stratospheric Fountain? Atmos. Chem. and
Phys. Discuss., 7, 2007, 8933-8950 (Special HIBISCUS issue).
SAUSEN, T. Sensoriamento remoto: Tópicos em Meio Ambiente e Ciências
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SIGMET (2005). IRIS Product & Display Manual, Sigmet Inc., Westford, MA, USA
(Revision: 14 April 2005).
TRO-pico (2012) http://www.ipmet.unesp.br/tropico/RESUMO_Projeto_TRO-pico.pdf Acesso
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WINKER, D. M., J. PELON, M. P. MCCORMICK, The CALIPSO Mission: Spaceborne lidar
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http://satelite.cptec.inpe.br/acervo/meteosat.formulario.logic
73
WINKER, D. M., W. H. HUNT, AND C. A. HOSTETLER. Status and performance of the
CALIOP Lidar. In: Proc. SPIE, 5575, 8–15. 2004.
74
ANEXOS
Anexos 1: Trabalhos publicados e apresentados
HELD G, RAMIRES T, POMMEREAU J-P, GOMES AM and RIVIÈRE E. Comparison of
Radar-Echo Tops in the State of São Paulo with Cloud Tops Observed by CALIOP
onboard the CALIPSO Satellite. Proceedings, CALIPSO, CloudSat, EarthCARE Joint
Science Workshop, Paris, France, 16-22 June 2012, 1p.
HELD, G.; RAMIRES, T.; POMMEREAU, J-P.; GOMES AM and RIVIÈRE, E. Comparison of
Radar-Echo Tops in the State of São Paulo with Cloud Tops Observed by CALIOP
onboard the CALIPSO Satellite. Proceedings, In: XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia,
CD 662C, Gramado, RS, 23-28 de setembro de 2012, SBMET, 4pp.
RAMIRES, T.; HELD, G.; NERY, J. T. Comparação dos topos dos ecos de radar no Estado de
São Paulo com topos de nuvens observados por CALIOP a bordo do satélite CALIPSO, in
Congresso de Iniciação Cientifica – CIC 2013.
COMPARISON OF RADAR-ECHO TOPS IN THE STATE OF SÃO PAULO
WITH CLOUD TOPS OBSERVED BY CALIOP ONBOARD THE
CALIPSO SATELLITE
Gerhard HELD1, Thiago RAMIRES2, Jean-Pierre POMMEREAU3, Ana Maria GOMES1,
Emmanuel RIVIÈRE4
1 Instituto de Pesquisas Meteorológicas / UNESP - Bauru - S.P. - 1 gerhard@ipmet.unesp.br
2 Campus Experimental de Ourinhos / UNESP - Ourinhos - São Paulo
3 Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, CNRS, Guyancourt, France
4 Groupe de Spectrometrie Móleculaire et Atmosphérique, Université de Reims Champagne-
Ardenne, Reims, France
RESUMO: Foram analisadas 18 passagens do satélite, de dezembro de 2010 a janeiro de
2011, na área de alcance dos 240 km dos radares do IPMet, para estabelecer uma
metodologia adequada e comparar diferentes medidas. Sobreposição com a trajetória do
satélite é gerada, correspondendo ao campo de visada do CALIOP, numa faixa de
64 km de largura do Radiometro Imageador Infra-vermelho. Esta sobreposição foi
transferida para o software IRIS, que gera CAPPIs, ECHO TOP, seções verticais e
medidas pontuais da refletividade e altura dos topos dos ecos, utilizados para identificar
a posição, intensidade e altura das células de tempestade. Em 26 de dezembro de 2010,
17:21:30 UT (14:21:30 LT), o CALIPSO passou sobre uma tempestade relativamente
intensa (máxima refletividade 44 dBZ). O ponto mais alto detectado pelo radar, em
10 dBZ, foi 17,5 km, às 14:23 LT. A imagem CALIOP indicou pouco menos de 200K,
correspondendo em torno dessa altitude, confirmado pela Temperatura de Brilho IIR e
Refletância próxima de 1.
ABSTRACT: IPMet´s radars cover the western and central State of São Paulo when
operated in volume-scan mode (240 km). Initially, 18 satellite overpasses of the radar
ranges were analyzed from December 2010 and January 2011, in order to establish a
method suitable to compare the different measurements. An overlay with the exact
Satellite trajectory is generated, corresponding to the CALIOP field of view, and the 64
km wide strip of the Imaging Infrared Radiometer. This overlay is transferred to the
IRIS Software, which generates CAPPIs, ECHO TOP, vertical cross-sections and spot
measurements of the radar reflectivity and echo-top height, which were used to identify
the position, intensity and height of the storm cells. On 26 December 2010, 17:21:30
UT (14:21:30 LT), CALIPSO was overflying a relatively intense storm (maximum
reflectivity 44 dBZ); Te highest point detected by the radar at 10 dBZ was 17,5 km amsl
mailto:gerhard@ipmet.unesp.br
at 14:23 LT. The CALIOP image indicated just less than 200K, corresponding to about
the same altitude, confirmed by the IIR Brightness Temperature and a Reflectance close
to 1. However, this still needs to be verified with the digital data from CALIPSO and
the local temperature profile on that day.
1 – INTRODUCTION
The Instituto de Pesquisas Meteorológicas operates two S-band Doppler radars, which are
located in the central and western State of São Paulo, viz. in Bauru and Presidente Prudente.
Both have a 2° beam width and a range of 450 km for surveillance (0,3° PPI every 30 or 15
min), covering the entire State of São Paulo, but when operated in volume-scan mode every 7,5
minutes it is limited to 240 km, with a resolution of 250 m radially and 1° in azimuth, recording
reflectivities and radial velocities at 16 elevations. Two different systems of Software are
available to visualize and analyze the radar data, viz. IRIS (Interactive Radar Information
System) Analysis and TITAN (Thunderstorm, Identification, Tracking, Analysis and
Nowcasting; Dixon and Wiener, 1993). Initially, 18 satellite overpasses of the radar ranges were
analyzed from December 2010 and January 2011, in order to establish a method suitable to
compare the different measurements. It is now planned to also add some suitable cases from
February and March 2012, when the TRO-Pico campaign took place in Bauru. During this
period, various radiosoundings and small balloon-borne measurements were performed,
providing temperature, humidity and particle profiles within the troposphere and lower
stratosphere, as well as measurements with a Raman Lidar, which yields information on
possible cirrus clouds and ice particles up to about 20 km.
CALIPSO (CALIPSO, 2012) is a satellite launched in cooperation of NASA with the French
CNES and CNRS. The data are available from both French and NASA Websites.
Figure 1: IPMet´s S-band radars in Bauru (BRU) and Presidente Prudente (PPR) with the
quantitative radar ranges of 240 km..
2 –METHODS
The method developed for this comparison uses a Google map to first generate an overlay with
the exact Satellite trajectory, corresponding to the CALIOP field of view, and the 64 km wide
strip of the Imaging Infrared Radiometer (IIR). This overlay is then transferred to the IRIS
Software, which generates CAPPIs (Constant Altitude PPIs), ECHO TOP, vertical cross-
sections and spot measurements of the radar reflectivity and echo-top height. In the initial
analysis a CAPPI at 3,5 km amsl and of the echo tops was generated to identify the position,
intensity and height of the storm cells, using a reflectivity threshold of -6 dBZ. Vertical cross-
sections along the CALIOP path were generated for the most intense cells.
3 – RESULTS
A good example was observed on 26 December 2010, at 17:21:30 UT (14:21:30 LT) while
overflying a relatively intense storm (maximum reflectivity 44 dBZ), about 180 km west of
Bauru. The highest point detected by the radar at 10 dBZ was 17,5 km amsl during the volume
scan at 14:16 – 14:23 LT. The CALIOP image indicated just less than 200K, corresponding to
about the same altitude, confirmed by the IIR Brightness Temperature and a Reflectance close
to 1. However, this still needs to be verified with the digital data from CALIPSO and the local
temperature profile on that day.
↓
Figure 2: CALIOP image on 26 December 2010, 17:20:42 – 17:22:12 UT, traversing the radar
ranges near Presidente Prudente at 14:21:30 LT (top). CAPPI at 3,5 km (left) and
Echo Tops (right) at 14:16 LT.
Figure 3 shows a vertical cross-section of the tallest cell, just south-east of the PPR radar. Its
echo top corresponds to the CALIOP track marked by the red arrow in Figure 2.
Figure 3: Vertical cross-section along the CALIOP ground-track in Figure 2.
An other example from a CALIPSO overpass on 02 January 2011 at 17:27:04 – 17:28:34 UT
has also been analyzed in detail (Held et al., 2012) and will be shown in the presentation.
4 – FINAL CONSIDERATIONS
Some of the problems that were identified with this kind of comparison arise from the
different scales of resolution in space and height (radar: 250 m horizontally; CALIOP
100 m), the Google projection and the observation time (radar volume scan every 7,5
min). Furthermore, the sensitivity of the radar reflectivity decreases with increasing
distance from the radar (detectable threshold at 50 km is about +5 dBZ, but at 240 km it
is ≤10 dBz), which effectively reduces the detectable echo heights at greater ranges
from the radar.
The analysis for 2010/11 and 2012 is still in progress. Spot measurements of the echo-
top height and exact reflectivity threshold at that point will be compared to the digital
data from CALIPSO.
5 – ACKNOWLEDGEMENTS
Hermes Augusto de Godoy França of IPMet is thanked for assistance with the generation of the
radar images and the overlays.
5 – REFERENCES
CALIPSO, 2012: http://www.nasa.gov/mission_pages/calipso/main/index.html
HELD G., RAMIRES T., POMMEREAU J.-P., GOMES A.M. and RIVIÈRE E., 2012.
Comparison of Radar-Echo Tops in the State of São Paulo with Cloud Tops Observed by
CALIOP onboard the CALIPSO Satellite. Proceedings, CALIPSO, CloudSat, EarthCARE Joint
Science Workshop, Paris, France, 16-22 June 2012, 1p.
COMPARISON OF RADAR-ECHO TOPS IN THE STATE OF SÃO PAULO WITH
CLOUD TOPS OBSERVED BY CALIOP ONBOARD THE CALIPSO SATELLITE
Gerhard Held1,*, Thiago Ramires2, Jean-Pierre Pommereau3, Anne Garnier3, Ana Maria Gomes1, Emmanuel
Rivière4
1 Instituto de Pesquisas Meteorológicas, Universidade Estadual Paulista, Bauru, S.P., Brazil
2 Campus Experimental de Ourinhos, Universidade Estadual Paulista, Ourinhos, S.P., Brazil
3 Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, CNRS, Guyancourt, France
4 Groupe de Spectrometrie Móleculaire et Atmosphérique, Université de Reims Champagne-Ardenne, Reims, France
* Email: gerhard@ipmet.unesp.br Tel.: +55 14 3103-6030 Fax: +55 14 3203-3649
Abstract
The Instituto de Pesquisas Meteorológicas operates two S-band Doppler radars, which are located in
the central and western State of São Paulo, viz. in Bauru and Presidente Prudente. Both have a 2°
beam width and a range of 450 km for surveillance (0,3° PPI every 30 or 15 min), covering the
entire State of São Paulo, but when operated in volume-scan mode every 7,5 minutes it is limited to
240 km, with a resolution of 250 m radially and 1° in azimuth, recording reflectivities and radial
velocities at 16 elevations. Two different systems of Software are available to visualize and analyze
the radar data, viz. IRIS (Interactive Radar Information System) Analysis and TITAN
(Thunderstorm, Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting; Dixon and Wiener, 1993).
Initially, 18 satellite overpasses of the radar ranges were analyzed from December 2010 and
January 2011, in order to establish a method suitable to compare the different measurements. It is
now planned to also add some suitable cases from February and March 2012, when the TRO-Pico
campaign took place in Bauru. During this period, various radiosoundings and small balloon-borne
measurements were performed, providing temperature, humidity and particle profiles within the
troposphere and lower stratosphere, as well as measurements with a Raman Lidar, which yields
information on possible cirrus clouds and ice particles up to about 20 km.
The method developed for this comparison uses a Google map to first generate an overlay with the
exact Satellite trajectory, corresponding to the CALIOP field of view, and the 64 km wide strip of
the Imaging Infrared Radiometer (IIR). This overlay is then transferred to the IRIS Software, which
generates CAPPIs (Constant Altitude PPIs), ECHO TOP, vertical cross-sections and spot
measurements of the radar reflectivity and echo-top height. In the initial analysis a CAPPI at 3,5 km
amsl and of the echo tops was generated to identify the position, intensity and height of the storm
cells, using a reflectivity threshold of -6 dBZ. Vertical cross-sections along the CALIOP path were
generated for the most intense cells. A good example was observed on 26 December 2010, 17:21:30
UT (14:21:30 LT) while overflying a relatively intense storm (maximum reflectivity 44 dBZ), about
180 km west of Bauru. The highest point detected by the radar at 10 dBZ was 17,5 km amsl at
14:23 LT. The CALIOP image indicated just less than 200K, corresponding to about the same
altitude, confirmed by the IIR Brightness Temperature and a Reflectance close to 1. However, this
still needs to be verified with the digital data from CALIPSO and the local temperature profile on
that day.
Some of the problems that were identified with this kind of comparison arise from the different
scales of resolution in space and height (radar: 250 m horizontally; CALIOP 100 m), the Google
projection and the observation time (radar volume scan every 7,5 min). Furthermore, the sensitivity
of the radar reflectivity decreases with increasing distance from the radar (detectable threshold at
50 km is about +5 dBZ, but at 240 km it is ≤10 dBz), which effectively reduces the detectable echo
heights at greater ranges from the radar.
The analysis for 2010/11 and 2012 is still in progress. Spot measurements of the echo-top height
and exact reflectivity threshold at that point will be compared to the digital data from CALIPSO.
Comparison of Radar-Echo Tops in the State of São Paulo with Cloud
Tops Observed by CALIOP onboard the CALIPSO Satellite
Gerhard Held1*, Thiago Ramires2, Jean-Pierre Pommereau3, Ana Maria Gomes1 and Emmanuel Rivière4
1 Instituto de Pesquisas Meteorológicas, UNESP Bauru, SP, Brasil
2 Campus Experimental – Curso de Geografia – UNESP Ourinhos, SP,Brasil
3 Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, CNRS, Guyancourt, France
4 Groupe de Spectrometrie Móleculaire et Atmosphérique, Université de Reims Champagne-Ardenne, Reims, France
CONCLUSIONS
INTRODUCTION
Scientific collaboration between the Meteorological
Research Institute (Instituto de Pesquisas Meteoro-
lógicas, IPMet) of the São Paulo State University
(UNESP) and CNRS has been ongoing since the late
90s and was formalized through an Agreement of
Cooperation in October 2000, which was renewed again
in 2011;
In terms of this Agreement, the Project TRO-Pico was
launched, during which stratospheric balloons, carrying
a variety of payloads, were launched from the Campus
of UNESP in Bauru during March 2012;
The main objective of TRO-Pico is to determine the
impact of overshooting convection on the stratospheric
water budget at different scales through H2O profiles
(by pico-SDLA & FLASH) up to about 25 km, while
IPMet’s radars would quantify the effect of over-
shooting tropical thunderstorm towers on a regional
scale;
Unfortunately, exactly during the period of the balloon
launches, CALIPSO was de-activated from 06 – 20
March 2012 to protect it from the possible effects of a
major sunflare;
Since TRO-Pico will resume the balloon launches in
January and February 2013, the comparison will be
extended until the completion of the TRO-Pico Project.
OBJECTIVES
METHOD FOR CAMPARISON
2. Radar Analysis (IRIS Software)
Since it takes 7,5 min to generate a Volume Scan, the
nearest one to the overpass time of CALIPSO was
selected for the comparison;
An integrated CAPPI at 3,5 km amsl was first
generated, setting the reflectivity threshold to -6 dBZ;
The Echo Tops were plotted for a reflectivity threshold o
of -6 dBZ, with the height scale starting at 6 km amsl and
incrementing at 1 km steps up to 20 km amsl;
Spot measurements can determine the exact reflectivity
value, height and coordinates of each pixel (inserted panel);
Vertical cross-sections along the exact CALIOP path
were generated from the closest radar for the most
intense cells, in order to determine the structure of the
radar tops in space and relative to the echo core.
.
To compare CALIOP measurements of cloud tops with
radar-detected echo tops during overpasses above
thunderstorms;
To establish a relationship between the range-dependent
minimum radar reflectivity and CALIOP-derived cloud
tops;
To apply this relationship to extend CALIOP’s
measurements for regional quantification of overshoots.
(a) (b) (c)
GROUND-BASED OBSERVATIONS
IPMet’s S-band Doppler Radars (EEC WSR-88S),
Bauru (BRU) and Presidente Prudente (PPR), S.P.;
Operated 24h for precipitation surveillance and severe
storms alerts (nowcasting);
Beam width 2°, resolution 250 m radially, 1° in azimuth;
Surveillance scans (0° PPI, 450 km range) every 30 min;
Volume scans (16 scans from 0,3° to 45°, 240 km) every
7,5 min when rain occurs <240 km range.
1. Identification of CALIPSO Track
CALIPSO track coordinates, traversing the
quantitative ranges of IPMet’s radars (240 km
radius each) were selected first;
This yielded 18 cases from 03/12/2010 to
25/02/2011;
Then, this track, together with the 64 km wide
strip of the Imaging Infrared Radiometer (IIR)
was plotted on Google Maps;
This overlay was subsequently transferred to
the IRIS Software, which generates CAPPIs
(Constant Altitude PPIs), ECHO TOP, vertical
cross-sections and spot measurements of the
radar reflectivity and echo-top height.
26 December 2010 – 17:20:42-17:22:12 UT / Radar VOL 17:16-17:23 UT
A method for comparing radar-observed thunderstorm echo tops
with cloud tops measured by CALIOP has been successfully tested;
Preliminary results from 12 cases showed good agreement, based on
CALIOP images and echo top spot measurements, as well as vertical
sections, while 6 were without storms beneath the CALIPSO track;
However, as a next step, digital CALIOP data now need to be
evaluated for a quantitative comparison;
It is expected, to also extend the comparison to the next TRO-Pico
IOP Campaign at th beginning of 2013.
ACKNOWLEDGEMENTS
IPMet’s radars in Bauru (BRU) and Presidente Prudente (PPR), also showing the
town of Ourinhos, where the mobile Lidar was located during August 2010.
IPMet’s Radar Software:
IRIS (Interactive Radar Information System) is the
Sigmet Propriety Software, which manages the data
acquisition, storage and visualization in real time, but
also has many products for post analysis;
TITAN (Thunderstorm, Identification, Tracking,
Analysis and Nowcasting; Dixon and Wiener, 1993)
identifies and tracks thunderstorm cells, as well as
providing structural details on intensity and severity -
this program will be deployed later for quantification.
CALIOP CAPPI Echo Top
02 January 2011 – 17:27:04-17:28:34 UT / Radar VOL 17:23-17:30 UT
CALIOP CAPPI PPR Echo Top PPR
LMD/CNRS is thanked for financial
support of the first author through
the EECLAT Research Project to
participate in this ESA CALIPSO,
CLoudSat, EarthCARE Joint
Workshop.
gerhard@ipmet.unesp.br
XXIV Congresso de Iniciação Científica
Comparação dos topos dos ecos de radar no Estado de São Paulo com
topos de nuvens observados por CALIOP a bordo do satélite CALIPSO
Thiago Ramires1, Gerhard Held2, Ana Maria Gomes2, Jonas Teixeira Nery1
1 Campus Experimental de Ourinhos – Geografia – UNESP Ourinhos, SP
2 Instituto de Pesquisas Meteorológicas, UNESP, Bauru, SP
thiramires@gmail.com
Palavras chaves: radar, CALIPSO, sensoriamento remoto.
Introdução
As nuvens desempenham um papel muito
importante na constituição da vida do nosso planeta,
através dos processos climáticos e suas
contribuições diretas e indiretas no balanço radiativo
da Terra. O estudo sobre a formação e dispersão
das nuvens, é de extrema importância para a
previsão do tempo. Esta importância recai sobre
questões econômicas, gerenciamento de energia e
produção agrícola, fatores que são influenciados
pelo clima.
Objetivos
O objetivo deste estudo é comparar as medidas de
topos de nuvens identificados pelo sistema CALIOP¹
a bordo do satélite CALIPSO¹ com os topos de ecos
detectados pelos radares meteorológicos Doppler do
Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet).
Esses resultados permitirão fazer uma estimativa da
quantidade de vapor de água entrando na baixa
estratosfera (overshooting).
Material e Métodos
Dados dos radares Doppler de Bauru e
Presidente Prudente, do IPMet;
Imagens de Lidar CALIOP, a bordo do satélite
CALIPSO.
Para tratar e analisar as imagens dos radares foram
usados os softwares IRIS (Interactive Radar
Information System) de propriedade do SIGMET Inc,
que controla a coleta, geração e armazenamento
dos dados dos radares, e TITAN² (Thunderstorm
Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting)
que é um sistema que permite identificar, rastrear
células de tempestades e realizar uma previsão
imediata sobre o deslocamento dessas
tempestades.
Resultados e Discussão
Após obter as imagens de satélite, e identificar
através das coordenadas, a trajetória, dia e hora
exata em que a órbita atravessa as áreas de
alcance dos radares (raio de 240 km cada), foram
gerados CAPPIs (Constant Altitude Plan Position
Indicator) com intervalos de 7,5 minutos e limiares
de refletividade de -6 dBz à 54 dBz e imagens de
topo até 20 km de altitude.
A comparação é feita através das imagens de radar
e do satélite, utilizando alguns parâmetros: topos
(altitude), refletividade e temperatura. Estes
parâmetros são importantes, pois através deles, é
possível definir a formação, o desenvolvimento e a
penetração na tropopausa pela nuvem
(overshooting) na região da baixa estratosfera. A
análise nesta primeira fase é empírica, ou seja, é
feita uma comparação visual entre as imagens.
Figura 1: Imagem do CALIOP (acima) e imagem do
Radar (topos dos ecos) Pres. Prudente e cortes verticais.
Conclusões
Os resultados preliminares apresentaram boa
concordância entre as imagens CALIOP e topos dos
ecos corroborados pelas seções verticais.
Como próximo passo deverá se obter os dados
digitais do CALIOP para uma comparação
quantitativa desses dados.
Agradecimentos
Ao Hermes A. de G. França, técnico do IPMet, pela
geração de imagens do radar.
_______________
1 Disponível em http://www.nasa.gov/mission_pages/calipso/main/index.html,
acessado em 25 de julho de 2013.
2 Dixon, M. e Wiener, G. TITAN: Thunderstorm Identification,
Tracking, Analysis & Nowcasting - A radar-based methodology, J.
Atmos. Oceanic Technol. 1993, 10, 785-797.
mailto:thiramires@gmail.com
http://www.nasa.gov/mission_pages/calipso/main/index.html