Novas estratégias de recuperação de perfis provenientes de rádio ocultação GNSS considerando a atmosfera brasileira - Jerez, Gabriel Oliveira (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
A rádio ocultação (RO) GNSS (Global Navigation Satellite Systems) permite investigações da atmosfera terrestre. Os sinais emitidos pelos satélites GNSS sofrem diferentes tipos de influência da atmosfera até serem coletados pelos receptores embarcados nos satélites LEO (Low Earth Orbiting). A partir do sinal coletado é possível calcular o índice de refração e, com isso, recuperar perfis de temperatura, pressão, umidade e densidade de elétrons. Por apresentar relativa homogeneidade de distribuição, os perfis obtidos com a RO são especialmente importantes quando se consideram cenários como da atmosfera brasileira. Devido à sua localização, em região de intensa atividade ionosférica, e dimensões continentais, com a presença da floresta amazônica que acarreta significativas variações regionais e sazonais, o Brasil possui uma complexa e dinâmica atmosfera. No entanto, nas metodologias relacionadas à recuperação de perfis atmosféricos provenientes de RO são empregadas algumas generalizações e estratégias específicas de configuração que, em geral, consideram características globais. Neste contexto, o presente trabalho teve por objetivo investigar e desenvolver metodologias e estratégias de recuperação de perfis atmosféricos provenientes de RO, considerando as especificidades da atmosfera brasileira. Em relação à atmosfera neutra, outra contribuição pretendida foi o desenvolvimento de estratégias de processamento de perfis atmosféricos visando contribuir na identificação de eventos extremos. Todas as etapas previstas no projeto e na proposta de prorrogação foram concluídas. Entre elas, a parte inicial de elaboração de uma revisão teórica sobre a temática de RO, desde os conceitos principais até a recuperação de perfis e produtos disponíveis. Foi realizada uma extensa avaliação da qualidade dos perfis atmosféricos das missões Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC e COSMIC-2), etapa que segue em trabalhos em continuidade ao projeto. As metodologias de validação propostas utilizam dados de radiossondas e ionossondas para perfis da atmosfera neutra e ionosfera, respectivamente. As principais etapas relacionadas ao estudo da ionosfera foram realizadas durante a realização da BEPE (Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior) junto à UPC (Universitat Politècnica de Catalunya). Além das fases previstas, relacionadas às metodologias de recuperação de perfis de densidade de elétrons com auxílio de mapas globais de VTEC (Vertical Total Electron Content) e estratégias de processamento, uma etapa importante iniciada durante o intercâmbio foi a filtragem dos perfis de RO. Neste estudo, foram desenvolvidas várias estratégias para filtrar perfis de densidade de elétrons da missão COSMIC, considerando o comportamento geral de cada perfil. Diversas metodologias são aplicadas considerando filtragem manual, valores mínimos de densidade de elétrons, faixa de ocorrência da altitude de pico (hmF2), distribuição normal e identificação de outliers considerando as discrepâncias entre os valores dos perfis provenientes de RO e seus correspondentes utilizando modelo de Chapman. Com as filtragens propostas, uma análise mais robusta da metodologia de recuperação de perfis ionosféricos auxiliada por mapas ionosféricos globais foi realizada. As etapas relacionadas às estratégias de processamento de perfis da atmosfera neutra da missão COSMIC também foram realizadas. Foram desenvolvidos estudos sobre a performance dos perfis da atmosfera neutra para a região brasileira e os processamentos com diferentes configurações de processamento. Uma das etapas finais do projeto, o estudo da possibilidade de utilização de perfis de RO na identificação de eventos extremos, foi adiantada com os estudos sobre a influência de queimadas na atmosfera e seu impacto nas observáveis GNSS. Nestes estudos diversas análises foram realizadas buscando identificar assinaturas do evento de interesse diretamente nos perfis de temperatura e pressão, bem como em variáveis obtidas em etapas anteriores de processamento, como o ângulo e o índice de refração. Esta etapa vem sendo expandida para diferentes eventos em estudos já realizados e em trabalhos e projetos em continuidade. Futuramente, a partir dos produtos obtidos com esta pesquisa, modelos ionosféricos, de previsão numérica do tempo e metodologias de detecção de eventos extremos, que se utilizam de dados de RO, poderão se beneficiar com a inclusão de perfis mais acurados.

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) radio occultation (RO) enables investigations of the Earth's atmosphere. The signals emitted by GNSS satellites are affected by different types of atmospheric influences until they are collected by receivers aboard LEO (Low Earth Orbiting) satellites. From the collected signal, it is possible to calculate the refractive index and, with that, recover profiles of temperature, pressure, humidity, and electron density. Because they are relatively homogeneous in distribution, the profiles obtained with RO are especially important when considering scenarios such as the Brazilian atmosphere. Due to its location in a region of intense ionospheric activity and its continental dimensions, with the presence of the Amazon rainforest, which causes significant regional and seasonal variations, Brazil has a complex and dynamic atmosphere. However, methodologies related to the recovery of atmospheric profiles from RO employ some generalizations and specific configuration strategies that, in general, consider global characteristics. In this context, the present work aimed to investigate and develop methodologies and strategies for the retrieval of atmospheric profiles from RO, considering the specificities of the Brazilian atmosphere. Regarding the neutral atmosphere, another intended contribution was the development of atmospheric profile processing strategies to help identify extreme events. All stages outlined in the project and extension proposal were completed. Among them, the initial part of preparing a theoretical review on the topic of RO, from the main concepts to the recovery of available profiles and products. An extensive evaluation of the quality of the atmospheric profiles of the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC and COSMIC-2) missions was carried out, a stage that continues in the project's ongoing work. The proposed validation methodologies use radiosonde and ionosonde data for profiles of the neutral atmosphere and ionosphere, respectively. The main stages related to the study of the ionosphere were carried out during the BEPE (Bolsa de Estágio de Pesquisa no Exterior) at the UPC (Universitat Politècnica de Catalunya). In addition to the planned phases related to electron density profile recovery methodologies using global VTEC (Vertical Total Electron Content) maps and processing strategies, an important stage initiated during the internship was the filtering of RO profiles. In this study, several strategies were developed to filter electron density profiles from the COSMIC mission, considering the general behavior of each profile. Several methodologies are applied considering manual filtering, minimum electron density values, peak altitude range (hmF2), normal distribution, and identification of outliers considering the discrepancies between the values of the profiles from RO and their corresponding values using the Chapman model. With the proposed filtering, a more robust analysis of the ionospheric profile recovery methodology aided by global ionospheric maps was performed. The tasks related to the COSMIC mission's neutral atmosphere profile processing strategies were also carried out. Studies were developed on the performance of neutral atmosphere profiles for the Brazilian region and processing with different processing configurations. One of the final stages of the project, the study of the possibility of using RO profiles in the identification of extreme events, was carried out with studies on the influence of fires on the atmosphere and their impact on GNSS observables. In these studies, several analyses were carried out to identify signatures of the event of interest directly in the temperature and pressure profiles, as well as in variables obtained in previous processing stages, such as the angle and refractive index. This stage has been expanded to different events in studies already conducted and in ongoing work and projects. In the future, based on the products obtained from this research, ionospheric models, numerical weather prediction models, and methodologies for detecting extreme events that use RO data may benefit from the inclusion of more accurate profiles.
New strategies for retrieving profiles from GNSS radio occultation data considering the Brazilian atmosphere
Keywords: Ionosfera; Posicionamento GNSS; Rádio ocultação GNSS; Atmosfera neutra; Recuperação de perfis; Atmosfera brasileira