capítulo 9 instrumentação · 2015-12-04 · determinar a velocidade do ar. basicamente temos...
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Capítulo 9
Instrumentação
Caracterização das Nuvens e Chuva
• Medidas in Situ
Avião
Disdrômetros
• Medidas de Sensoriamento Remoto
Radar Meteorológico
Avião Laboratório de Pesquisas Atmosféricas – ALPA / UECE
Inlets para aerossóis Sistema de aquisição de dados
Contatores de partículas
The NSF/NCAR Hercules C-130Q
1. Fuselage Apertures (15)
6. Sensor Pylons (2)
2. Radiometer Pods (2)
7. Radome Gustprobe
3. Pylon Wing Boom--PMS Probes (2)
8. ELDORA (Doppler Radar)
4. Dropsonde Dispenser (1)
9. Nose Radar (Collins WXR-700C)
5. Sensor Mount Pods (8)
10. Oceanographic Probe Dispensing (1)
NSF/NCAR L-188C ELECTRA
ELectra DOppler RAdar (ELDORA)
O ELDORA esta montado em avião Lockheed
P-3 que é operado pelo laboratório de pesquisa
naval (NRL) dos EUA.
.
http://www.eol.ucar.edu/rsf/eldora/eldora.html
O ELDORA tem um radar meteorológico com 2 antenas dispostas na cauda do avião
que giram em um eixo longitudinal. Uma antena aponta para a frente e a outra para
traz, o que proporciona dois eixos helicoidais cônicos separados entre 50-100 km. O
radar é Doppler e opera na Banda X e possui resolução de volume iluminado de 300-
500 m e faz varreduras com uma rotação de 24 RPM
The UWyo King Air research aircraft (N2UW), desde 1960
http://www.atmos.uwyo.edu/n2uw/
Wyoming Cloud Radar
WCR
Substituto do EDOP
HIWRAP is a dual-frequency (Ka- and Ku-
band), dual-beam (300 and 400 incidence
angles), conical scan, solid-state
transmitter-based Doppler radar system. It
was designed for operation on the high-
altitude (20 km) Global Hawk
UAV. HIWRAP utilizes solid state
transmitters along with a novel pulse
compression scheme.
Instrumentação em Aviões de
Física de Nuvens
• Temperatura do ar (Total)
• Temperatura do ponto de orvalho
• Pressão atmosférica e dinâmica
• Concentração de tamanho de gotículas, gotas de chuva e cristais de gelo
• Conteúdo de água líquida
• Radar Meteorológico
• Velocidade vertical
• Contador de núcleos de condensação e aerossóis
Temperatura total
Termômetro de resistência de platina Rosemount
Termômetros de resistência baseiam-se no principio que um condutor tem
uma resistência que varia em função da temperatura.
A platina em sua forma pura resiste a contaminações e oferece estabilidade
mecânica e elétrica. Este condutor possui uma relação linear entre
temperatura e a resistência.
Temperatura do ponto de orvalho
Higrômetro EG&G 137
A temperatura do ponto de orvalho é medida através da técnica de espelhos resfriados, onde a temperatura de um espelho é reduzida até que a saturação do vapor seja atingida e haja deposito de água sobre o mesmo.
Quando a temperatura se aproxima do ponto de orvalho temos condensação sobre o espelho, logo resitores foto elétrico conseguem medir alterações das propriedades de reflexão do espelho.
A temperatura do espelho, medida por um termômetro de resistência de platina, corresponde à temperatura do ponto de orvalho.
PressãoPressão estática e dinâmica - Transdutor de capacitância
variável
A Pressão Dinâmica (Qc) é produzida pelo ar em movimento que se choca sobre um objeto.
A Pressão Estática (Ps) ou atmosférica é a pressão produzida pela concentração das moléculas de ar.
Para medir estas pressões utilizamos o sistema pitot-estático que mede a pressão estática e de pitot que é utilizada para determinar a velocidade do ar.
Basicamente temos sensores de capacitância variável que medem a pressão
através das variações da distancia entre o diafragma e o substrato, causadas pela
oscilação da pressão externa, alterando a capacitância entre os eletrodos.
A pressão dinâmica (Qc) é a diferença entre a pressão total do tubo de pitot(Pt) e a pressão estática (Ps).
Qc = Pt - Ps.
Espectro de gotas de nuvem
Forward Scattering Spectrometer Probe, FSSP 100
Dye, J.E. and D. Baumgardner 1984: Evaluation of the forward scattering spectrometer probe Part I:
Electronic and Optical Studies, J. Atmos. and Oceanic Tech., 1, 329-344.
mede partículas com diâmetros de 0,5 µm a 47 µm
Espectro de gotas de nuvemOptical Array Probe 1D - OAP
A medida que o tamanho do hidrometeoro não é possível relacionar a luz de laser espalhada como tamanho, mas podemos usar a sombra da luz.
O OAP 1D ilumina um arranjo linear de fotodiodos com laser He-Ne. A medida que a partícula passa pelo foco do feixe, uma sombra é criada sobre os diodos e o número de diodos sombreados representa o tamanho da partícula.
Os sensores 200X medem partículas com diâmetros de 40 µm a 280 µm com incrementos de 20 µm; e os sensores 200Y medem de 300 µm a 4 500 µm com incrementos de 300 µm.
Espectro de gotas de
nuvem/hidrometeorosParticle Spacing Monitor - PSM
PSM fornece a estrutura espacial da distribuição
de partículas de nuvem através da medição do
espaçamento entre as partículas.
Este instrumento monitora a contagem total de
partículas da FSSP ou OAP-1D e mede o tempo
entre cada contagem.
Esta medida da uma idéia da estrutura fina da
nuvem (se é contínua ou tem buracos)
Espectro de gotas de nuvem/hidrometeoros
Cloud Imaging Probe - CIP
http://www.dropletmeasurement.com/products/airborne/24
Espectrometro óptico que mede o
tamanho e forma de partículas desde
25 m a 1550 m,
conteúdo de água líquida de 0,01 a 3 g/m3
Este sensor detecta as partículas que passam em
um laser que dispõe de 64 elementos de uma
matriz linear. A amostragem é feita a cada 250
nano-segundos, o que permite reconstruir a
imagem de uma particula com 25 m de resolução.
Conteúdo de água liquida
Sensor de fio quente, Csiro King e Johnson Williams
O conteúdo de água para um dado volume pode ser determinado pela integração da massa da distribuição de partículas medida pela PMS (Particle MeasuringSystems), ou a partir de um fio quente.
O sensor de fio quente relaciona a variação da resistência de um fio aquecido que é resfriado pelas gotas que evaporam ao colidirem com o fio.
O J-W mede as variações na resistência elétrica enquanto o King mede a potencia necessária para manter o fio a temperatura constante.
Velocidade Vertical
Contador de CCNsOs contadores de CCN em geral sãobaseados na câmara de Wilson (difusãode vapor) que detectam opticamenteparticulas que são iluminadas por um laser.
Em câmaras super-saturadas o vapor condensa sobre os aerossóis, logo aoprecipitarem sobre um feixe de laser começam a espalhar luz.
A intensidade de luz espalhada (váriosCCNs) é proporcional ao número de CCNs ativos. As câmaras variam a temperatura entre as placas para aumentar ou diminuir a saturação.
Tampa superior
Tampa inferior
Eq. CC
Radar Meteorológico
Hipóteses
• O transmissor (antena) irradia a energia EM de forma
isotrópica (todas as direções);
• A energia EM que retorna ao radar é proveniente de
partículas esféricas de água ou gelo
• A energia EM será espalhada em todas as direções
igualmente
Lembrete: Potência é energia por unidade de tempo
A potência média recebida sobre um número grande de alvos
(gotas e cristais de gelo) pode ser expressa como
onde a somatória é sobre o volume iluminado (Vm) que
espalha de volta a energia para o radar.
n
t
IT
Rr
GPP
043
22
4
Volume iluminado
(i) seção transversal de retro-espalhamento
Figura 4.2 ilustra a
seção transversal
de espalhamento
normalizada
(/a2) para
esferas de água e
gelo e para um
=3.21 cm (banda
X)
Note que para muito
pequeno, aumenta com
(entre 1 e 2)
A diferença entre a água e o gelo
deve-se à constante dielétrica,
onde:
Água é um espalhador mais
eficiente do que o gelo, pois a
água cria um dipolo mais
alinhado.
Para > 2, do gelo é maior
que a da água, uma vez que a
absorção da água excede a do
gelo
O Comportamento de para
grande é altamente oscilatório,
pois existe um espalhamento
grande na direção de
propagação da onda que está
associado a múltiplas reflexões
da onda.
Água
Gelo
O Comportamento
de para grande
é altamente
oscilatório, pois
existe um
espalhamento
grande na direção
de propagação da
onda que está
associado a
múltiplas reflexões
da onda.
Sendo que para << 1, ou seja, o raio da gota é muito menor que e assim
temos a aproximação Rayleigh. Logo a seção transversal de espalhamento pode
ser descrita por:
onde Di é o diâmetro da partícula e K o índice de refração da partícula
62
4
52
2
26
2
2
1iI DK
m
m
2
12
2
m
mK
Termo T(oC) Comprimento de onda (cm)
10 3.21 1.24 0.62
20 0.928 0.9275 0.9193 0.8926
|K|2 10 0.9313 0.9282 0.9152 0.8726
0 0.9340 0.9300 0.9055 0.8312
-8 .............. .............. 0.8902 0.7921
20 0.00474 0.01883 0.0471 0.0915
Im(-K) 10 0.00688 0.0247 0.0615 0.1142
0 0.01102 0.0335 0.0807 0.1441
-8 ............. ............... 0.1036 0.1713
Água
Termo T(oC)0 0.197
|K|2 -10 0.197-20 0.197
0 9.6x10-4
Im(-K) -10 3.2x10-4
-20 2.2x10-4
Gelo????????
2KI
Usando a aproximação Rayleigh, ou seja, < 0.22 (2a/) temos
que o diâmetro máximo observado para o diferentes radares é:
Portando os radares Banda S detectam todos os hidrometeoros
exceto as grandes pedras de gelo, porém radares com pequeno
entram na região de espalhamento Mie, isso implica que estes
radares são mais indicados para a medidas de física de nuvens.
Banda (cm) Freq(GHz) < D(mm) observado
água ( gelo)
S 10,0 3 7 (16,0)
C 5,0 6 3,5 (8,0)
X 3,0 10 2,1 (4,8)
K 1,0 30 0,7 (1,6)
W 0,4 75 0,25 (0,64)
Finalmente, a Potência recebida pelo retro-espalhamento de partículas
esféricas pode ser expressa como:
Espalhamento Rayleigh:
Espalhamento Mie
onde o Fator Refletividade do Radar Z é
enquanto que a Refletividade do Radar é
volume
iT
R Dr
KhGPP 6
2
2
2
32
)2(ln6416
volume
iT
Rr
hGPP
22
22 1
)2(ln6416
volume
iD6
volume
i
Logo se soubermos a distribuição de tamanho das partículas dentro do
volume iluminado pelo radar, podemos expressar Z como:
ou
Sendo assim podemos expressar a Potência recebida pelo radar em
termos do Fator Refletividade do Radar e a constante do Radar
6
ii DnZ
0
6)( dDDDNZ
Zr
KCtePR 2
2
Como podemos inferir a
Precipitação?
Sabemos que o fator refletividade do radar (Z) é proporcional à
distribuição de tamanho de gotas vezes o D6.
Portanto se houvesse uma maneira de expressar o Conteúdo de
Água Líquida (LWC) ou a Taxa de Precipitação (R) em função
da distribuição de tamanho de gotas, podemos relacionar estas
grandezas com as medidas feitas pelo radar meteorológico.
Sendo que a Taxa de Preciptação pode ser expressa como:
E o conteúdo de água líquida pode ser expressa como:
0
3 )()(6
)/( dDDVDDNhmR T
0
33 )(6
)/( dDDDNmgLWC L
Logo a partir das relação Z-R ou Z-LWC podemos obter estes
parâmetros. Mas para isso temos que ter uma idéia da distribuição
de tamanho de gotas, N(D).
Estas medidas de distribuição são feitas em geral a partir de
medidas com disdrômetros ou coletores de partículas em
aeronaves.
O disdrômetro mede a distribuição de tamanho de gotas (DSD) em
um intervalo de tempo a partir do impacto das gotas sobre uma
superfície de 50 cm2. O impacto das gotas provoca uma vibração na
membrana, sendo que esta energia mecânica é então proporcional a
um tamanho.
Medidas realizadas em 1948 (Marshall e Palmer) indicaram que as
precipitações estratiformes seguiam uma distribuição exponencial,
enquanto que mais tarde observou-se que as convectivas seguiam uma
distribuição gamma e ou lognormal.
De uma maneira simplificada, podemos utilizar a expressão
exponencial proposta inicialmente por Marshall e Palmer (1948) e
derivar as relações Z-R e Z-LWC.
Para isso assumimos:
3
0 /,exp)( cmgotasDNDN
(R) = 4,1R-0,21 mm-1 [R(mmh-1)] e N0 = 0,08 cm-4
Logo a Z pode ser expresso por:
Mashall e Palmer encontraram que =f(R), na forma de (R) = 4,1R-0,21
Portanto,
Porém na literatura temos que a relação ZR é:
7070
0
6
0
0
636 !6)7(exp)(][
NNdDDDNdDDDNmmmZ
3
647,121,07
7070 2131,4
!6!6
m
mmRRNNZ x
6,1200RZ
http://mogyb.cptec.inpe.br/portal/belem/quicklook/bandax.html
CHUVA - Belém
Radar de Apontamento Vertical - MRR
CHUVA - Belém
Relação Z-R e Z-M para gotas de água e cristais de gelo e neve.
Tipo
Z(mm6/m3) x M(g/m3) Z(mm6/m3) x R(mm/h)
Chuva (MP) M = 3,93x10-3Z0,55 Z = 200R1,6
São Paulo
(Morales)
M = 1,4 x10-3Z0,64 Z = 378R1,34
Neve e agregados M = 1,7x10-2Z0,45 Z = 150R1,54
Granizo (molhado) M = 9,5x10-7Z1,02 Z = 486R1,37
Granizo (seco) M = 5,5x10-6Z0,97
Nuvem M = 4,56Z0,5 Z = 69R1,8
Obs: para mais relações utilizar:
1) Sauvageot, H., and J. Omar, 1987: Radar Reflectivity of Cumulus Clouds.
J. Atmos. Oceanic Technol., 4, 264–272, e
2) 2) Battan L.J., 1973: Radar Observation of the Atmosphere.
Contadores de gotas de chuva:
Disdrômetro
Disdrômetro de Impacto
Joss-Waldvogel
Este instrumento tem a característica de medir a distribuição de
tamanho de gotas de chuva (DSD ou RDSD) através de um
espectrômetro eletromecânico, onde as gotas incidem sobre uma área
de 50 cm2.
• Este instrumento baseia-se no princípio de compensação automática da força produzida por uma gota que atinge a superfície do sistema receptor rígido (auto-falante).
• O efeito de compensação faz com que o sistema rígido receba somente uma parte ínfima da energia de movimento na forma de calor.
• Assim, o sistema retorna imediatamente a sua posição inicial.
• Os pulsos elétricos gerados pelo sistema receptor são classificados por um analisador, com 20 canais, que são usados para separar os pulsos elétricos do disdrômetro em 20 diferentes classes de tamanho de gotas.
[0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.90,1.1,1.3,1.5,1.7,1.95,2.25,2.55,2.85,3.15,3.5,3.9,4.3,4.75,5.25]
• O pulso gerado pela gota esta relacionado
pela amplitude U em Volts e o diâmetro da
gota D em mm incidente.
U = 0,94D1,47
Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM
0.01
0.1
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5 6
Florida Cont
Florida Mar
LBA Cont
LBA Mar
India Cont
India Mar
Kwaj Mar
N [
mm
m-3
\
mm
hr-1
]
D [m m ]
Rosenfeld and Tokay, 2002
CHUVA - Belém
Disdrômeto ótico a laser
• Parsivel (PARticle SIze and VELocity)
• Thies
Parsivel (PARticle SIze and VELocity )
• Este instrumento mede o tamanho e a
velocidade de queda dos hidrometeoros
caindo sobre um feixe de laser.
• O sensor transmite um feixe de
luz horizontal que é convertido
em um sinal elétrico.
• O sinal muda a medida que os
hidrometeoros caem sobre o
feixe.
• O grau de escurecimento/bloqueio é uma
medida do tamanho do hidrometeoro e a
duração do sinal está relacionado com a
velocidade de queda.
• O sensor PARSIVEL detecta 8 tipos de
hidrometeoros: garoa, mistura de
garoa/chuva, chuva, mistura de
chuva/neve, neve, grãos de neve,
chuva congelada e granizo.
Comprimento de Onda do Laser: 650 nm
Potência do Laser: 1 mW
Dimensões do feixe: 180 x 30 mm (Largura x Diâmetro)
Área da medida: 54 cm²
Tamanho das partículas: 0,2 a 25 mm
Número de Classes: 32 de tamanha e 32 de velocidade
Thies
• Este instrumento tem o mesmo princípio
de detecção do PARSIVEL. Porém com
algumas caracteristicas eletrônicas
diferentes.
Caracteristicas
Comprimento de onda do Laser: 785 nm
Potência do Laser: 0,5 mW
Área de Medida: 46 cm² (23 x 2.0 cm)
Classificação de Classes: 440
( 22 diâmetro x 20 de velocidade)
Tamanho: 0,16 - 8 mm
Velocidade: 0,2 a 20 m/s
Convertendo gotas ou
hidrometeoros em concentração
Onde Nd(D) é a concentração de gotas por unidade de volume. Lj é o numero de gotas no canal j de diâmetro entre Dj e Dj+1, Dt é o tempo de amostragem, Vt(D) é a velocidade terminal da gota D e A é a área coletora do disdrômetro.
ADVDt
DL
t
j
)(
)( (D)Nd
Exemplos de observações em
nuvens
TRATAMENTO DOS DADOS EM NUVENS
Frediane, 2008.
CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa
EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z
500
600
700
800
900
1000
-61.65 -61.60 -61.55
Pre
ssão
[m
]
Longitude
-10.95
-10.94
-10.93
-10.92
-10.91
-10.90
-61.65 -61.60 -61.55
Lati
tud
e
Longitude
Dados tomados continuamente em
espiral descendenteFrediane, 2008.
500
600
700
800
900
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Pre
ssã
o (m
b)
2DC - LWC(D) [g/m3]
EC 06
500
600
700
800
900
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8
2DP - LWC(D) [g/m3]
EC 06
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50
Pre
ssã
o (m
b)
N(D) [cm-3]
EC 06
500
600
700
800
900
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
fssp - LWC(D) [g/m3]
CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa
EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z
Diminuição da Concentração e
LWC entre 550 e 500mb
Presença de LWC
proveniente de gotas
médias e grandes
Máximo em níveis altos -
sustentadas pela corrente
ascendente
Máximo em níveis
baixos - precipitação
CARACTERIZAÇÃO DAS NUVENS:Estação Chuvosa
EC06 – 20/02/1999 – 20:00 ÀS 20:14Z
1E-11
1E-10
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1000 3000 5000 7000 9000 11000
Co
nce
ntr
açã
o (c
m-3
. d
m-1
)
Diâmetro - OAP 2DP [m]
EC06500 mb550 mb600 mb650 mb700 mb750 mb800 mb850 mb900 mb
1E-11
1E-10
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
150 250 350 450 550 650 750 850 950
Co
nce
ntr
açã
o (c
m-3
. d
m-1
)
Diâmetro - OAP 2DC [m]
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
1000 3000 5000 7000 9000 11000
Co
nte
úd
o d
e Á
gu
a L
íqu
ida
(g/m
3)
Diâmetro - OAP 2DP [m]
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
150 250 350 450 550 650 750 850 950
Co
nte
úd
o d
e Á
gu
a L
íqu
ida
(g/m
3)
Diâmetro - OAP 2DC [m]
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Co
nce
ntr
açã
o (c
m-3
. d
m-1
)
Diâmetro - FSSP [m]
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Co
nte
úd
o d
e Á
gu
a Lí
qu
ida
(g/m
3)
Diâmetro - FSSP [m]
Maior Concentração de
gotículas em 12,5m
Maior LWC em 32,5m
Maiores Concentrações em
níveis mais altos
Distribuições Bi-modais
Processo de
crescimento das
gotículas conforme a
ascensão vertical
Migração das gotas dos níveis
altos para os níveis baixos
conforme o crescimento:
Precipitação e coleta
Evidência de precipitação:
predominância das gotas em
níveis baixos
Referencias
• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin24.html
• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin23.html
• http://www.eol.ucar.edu/raf/Bulletins/bulletin22.html
• Francisco Geraldo de Melo Pinheiro, Um Novo Contador de
Núcleos de condensação de Nuvens Baseado em Técnicas de
Visão Computacional, Tese de Doutorado, UFC, 2011
• http://www.dropletmeasurement.com/manuals/Hardware%20Manuals/DOC-
0028%20CIP%20Manual.pdf
• Maria Eugenia B. Frediani, 2008. Microfísica das nuvens Amazônicas:
Propriedades dos hidrometeoros observados durante as campanhas WetAMC/TRMM/LBA 1999 e DryToWet/RACCI 2002, Dissertacao de Mestrado, USP.