Técnicas de Estimativa de Técnicas de Estimativa de PrecipitaçãoPrecipitação

Parte 1 – Imagens no visível e Parte 1 – Imagens no visível e infravermelhoinfravermelho

ImportânciaImportância

Curto prazoCurto prazo– Risco de enchentes, deslizamentos: sistema de Risco de enchentes, deslizamentos: sistema de

alertaalerta

Médio prazoMédio prazo– Sistemas de abastecimento de águaSistemas de abastecimento de água– Agricultura e pecuáriaAgricultura e pecuária– Estudo de bacias hidrográficasEstudo de bacias hidrográficas

Longo prazoLongo prazo– Mudanças climáticasMudanças climáticas

Como pode ser monitoradaComo pode ser monitorada

Rede de pluviômetros em superfícieRede de pluviômetros em superfície Radar meteorológicoRadar meteorológico ModelosModelos

Rede de pluviômetrosRede de pluviômetros

Vantagem:Vantagem:– Medida “real” da chuvaMedida “real” da chuva

Desvantagens:Desvantagens:– Não há cobertura sobre o oceano ou áreas Não há cobertura sobre o oceano ou áreas

remotasremotas– Medida pontual não é representativa da áreaMedida pontual não é representativa da área

RadarRadar Técnica será abordada em disciplina dedicada ao Técnica será abordada em disciplina dedicada ao

tematema

... Já adiantando,... Já adiantando, Vantagens: Vantagens:

– Excelentes resoluções espacial e temporalExcelentes resoluções espacial e temporal– Estimativa realEstimativa real

Desvantagens: Desvantagens: – Não cobre oceanos e áreas remotasNão cobre oceanos e áreas remotas– CalibraçãoCalibração– Alto custoAlto custo

ModelosModelos

Vantagens:Vantagens:– Excelentes coberturas espacial e temporalExcelentes coberturas espacial e temporal– Estimativa em tempo realEstimativa em tempo real

Desvantagens:Desvantagens:– Qual é a maior desvantagem???Qual é a maior desvantagem???– Modelos não representam os processos Modelos não representam os processos

perfeitamenteperfeitamente

E o uso de satélites???E o uso de satélites???

Em aulas/disciplinas anterioresEm aulas/disciplinas anteriores

Nuvens:Nuvens:– Extremamente espessasExtremamente espessas– Radiações solar e terrestre não conseguem Radiações solar e terrestre não conseguem

atravessá-lasatravessá-las

Portanto, no espectro solar, mede-se a Portanto, no espectro solar, mede-se a refletância do topo da nuvem e no espectro refletância do topo da nuvem e no espectro do infravermelho, mede-se a radiância ou do infravermelho, mede-se a radiância ou irradiância emitida também pelo topo de irradiância emitida também pelo topo de nuvensnuvens

εσTs4

σTi4

σTi+14

σTi+24

σTi+n4

σTtopo4

Como medir chuva?Como medir chuva?

Se nessas regiões espectrais, o satélite Se nessas regiões espectrais, o satélite permite observar apenas o topo (ou laterais) permite observar apenas o topo (ou laterais) das nuvens, como estimar a quantidade de das nuvens, como estimar a quantidade de chuva, que acontece abaixo delas?chuva, que acontece abaixo delas?

Estimativas são indiretasEstimativas são indiretas

... ou empíricas... ou empíricas Relaciona-se área de nebulosidade/nuvem Relaciona-se área de nebulosidade/nuvem

observada via satélite com precipitação observada via satélite com precipitação estimada por outros métodos em superfície estimada por outros métodos em superfície (radar ou pluviômetro).(radar ou pluviômetro).

PrPróós e Contrass e Contras

Sat. Geo-estacionárioSat. Geo-estacionário 4 x 4 km4 x 4 km 15 à 30 minutos15 à 30 minutos Chuva = f(Tb) não Chuva = f(Tb) não éé linear linear Área do topo da nuvem é Área do topo da nuvem é

proporcional a uma área proporcional a uma área de chuva.de chuva.

Contaminação de Cirrus.Contaminação de Cirrus.

Infra-vermelhoInfra-vermelho VisívelVisível

Sat. Geo-estacionárioSat. Geo-estacionário 1 x 1 km1 x 1 km 15 à 30 minutos15 à 30 minutos Chuva = f(a) não Chuva = f(a) não éé linear linear Não existem medidas a Não existem medidas a

NoiteNoite Área do topo da nuvem é Área do topo da nuvem é

proporcional a uma área proporcional a uma área de chuva.de chuva.

TexturaTextura

(Slide cedido pelo Prof. Carlos Morales)

Uso é limitadoUso é limitado

Técnica desenvolvida para:Técnica desenvolvida para:– uma região não necessariamente será útil em outrauma região não necessariamente será útil em outra– prever taxa de precipitação mensal pode não ser prever taxa de precipitação mensal pode não ser

adequada para estimar precipitação horáriaadequada para estimar precipitação horária

Como o processo de obtenção de médias reduz Como o processo de obtenção de médias reduz o ruído,o ruído,– Estimativas de precipitação são mais confiáveis Estimativas de precipitação são mais confiáveis

quando são calculadas médias sobre grandes áreas quando são calculadas médias sobre grandes áreas ou sobre grandes períodos de tempoou sobre grandes períodos de tempo

– Sendo menos confiáveis para áreas menores ou Sendo menos confiáveis para áreas menores ou períodos de tempo mais curtosperíodos de tempo mais curtos

PortantoPortanto

Apesar das dificuldades, devido à importância em Apesar das dificuldades, devido à importância em conhecer a quantidade de precipitação em conhecer a quantidade de precipitação em determinadas localidades, vários pesquisadores determinadas localidades, vários pesquisadores tentaram propor técnicas de estimativa utilizando tentaram propor técnicas de estimativa utilizando imagens no visível e infravermelho.imagens no visível e infravermelho.

Algumas Técnicas no visível e/ou Algumas Técnicas no visível e/ou infravermelhoinfravermelho

Indexação de nuvensIndexação de nuvens Bi-espectralBi-espectral Ciclo de vidaCiclo de vida Modelo de nuvemModelo de nuvem

Indexação de nuvensIndexação de nuvens

Método mais antigoMétodo mais antigo Baseado no princípio de que é Baseado no princípio de que é

relativamente fácil identificar tipos de relativamente fácil identificar tipos de nuvens via satélite.nuvens via satélite.

A indexação relaciona uma taxa de A indexação relaciona uma taxa de precipitação específica para cada tipo de precipitação específica para cada tipo de nuvem.nuvem.

ii

i frR

Onde R é a precipitação em uma determinada localidade, ri é a taxa de precipitação associada ao tipo de nuvem i e fi é a fração do tempo no qual o ponto da imagem está coberta com a nuvem tipo i (ou fração da área coberta por)

Barrett (1970) foi o primeiro a utilizar a Barrett (1970) foi o primeiro a utilizar a técnica para estimar a precipitação sobre a técnica para estimar a precipitação sobre a AustráliaAustrália

Utilizando análise de uma imagem/dia, Utilizando análise de uma imagem/dia, gerou um algoritmo para estimar a gerou um algoritmo para estimar a precipitação mensal. precipitação mensal.

Tipos de nuvens utilizados pelo autor: Tipos de nuvens utilizados pelo autor: cumulonimbus, stratiformes, cumuliformes, cumulonimbus, stratiformes, cumuliformes, stratocumuliformes e cirrus.stratocumuliformes e cirrus.

Follansbee (1973): estimativa de precipitação Follansbee (1973): estimativa de precipitação diária sobre um estado.diária sobre um estado.

Utilizando uma imagem diária no visível estimou a Utilizando uma imagem diária no visível estimou a fração de um estado coberta por nuvens fração de um estado coberta por nuvens cumulonimbus, nimbostratus e cumulus cumulonimbus, nimbostratus e cumulus congestus.congestus.

Considerou as seguintes taxas de precipitação:Considerou as seguintes taxas de precipitação:– r = 1,0 polegada/dia para Cb;r = 1,0 polegada/dia para Cb;– r = 0,25 polegada/dia para Ns;r = 0,25 polegada/dia para Ns;– r = 0,02 polegada/dia para TCur = 0,02 polegada/dia para TCu

Causas para a discrepância:

- A indexação não considera eficiências de precipitação e outros fatores que afetam a taxa de precipitação de um tipo particular de nuvem em determinados dias.

- A análise de uma única imagem por dia pode resultar em perda de eventos de precipitação que aconteceram antes ou após a passagem do satélite.

Resultados para o estado de Arkansas para os meses de julho e agosto de 1971

GOES Precipitation Index - GPIGOES Precipitation Index - GPI

Arkin (1979) – Estimativa de precipitação Arkin (1979) – Estimativa de precipitação tropical para fins climatológicostropical para fins climatológicos

Observou existência de correlação entre a Observou existência de correlação entre a precipitação estimada por radar e a fração precipitação estimada por radar e a fração da área coberta por pixels mais frios que da área coberta por pixels mais frios que 235K. 235K.

Coeficiente de correlação depende da área Coeficiente de correlação depende da área e do tempo sobre o qual a precipitação é e do tempo sobre o qual a precipitação é estimada.estimada.

Quanto maiores a área selecionada para o cálculo da fração e o tempo de integração, maior o coeficiente de correlação obtido:

ResoluResolução ção Espacial Espacial (graus)(graus)

0,1 x 0,1 0,1 x 0,1 2,5 x 2,52,5 x 2,5

ResoluResolução ção TemporalTemporal

15 minutos15 minutos diadia

CorrelaCorrelaçãoção < 0.5 < 0.5 (Baixa)(Baixa)

> 0.8 > 0.8

(Alta)(Alta)

Arkin e Meisner (1987):Arkin e Meisner (1987):– Limiar de TLimiar de Tbb igual a 235 K e taxa de precipitação constante igual a igual a 235 K e taxa de precipitação constante igual a

3 mm/hora3 mm/hora– Estimativa da precipitação tropical para áreas de aproximadamente Estimativa da precipitação tropical para áreas de aproximadamente

2,52,5° x 2,5°:° x 2,5°:

onde GPI é a estimativa da coluna da precipitação média (em onde GPI é a estimativa da coluna da precipitação média (em milímetros) na área, f é a fração da área mais fria que o limiar e milímetros) na área, f é a fração da área mais fria que o limiar e ΔΔt t é o tempo (em horas) para o qual f se aplica (exemplo, se as é o tempo (em horas) para o qual f se aplica (exemplo, se as imagens foram coletadas a cada 3 horas, imagens foram coletadas a cada 3 horas, ΔΔt = 3)t = 3)

tfGPI 3

GPIGPI

Nuvens com alto desenvolvimento verticalNuvens com alto desenvolvimento vertical Não se aplica a precipitação devido a Não se aplica a precipitação devido a

nuvens quentesnuvens quentes Cobertura: Região tropical (40Cobertura: Região tropical (40°°N-40N-40°°S, 0S, 0°°--

360360°°E) E)

Média mensal para Dez/1995Média mensal para Dez/1995

ftp://disc1.gsfc.nasa.gov/data/hydrology/precip/arkin/gpcp_gpi/

GPIGPI

Produto intermediário do Produto intermediário do Global Global Precipitation Climatology Project (GPCP)Precipitation Climatology Project (GPCP)

Estimativa mensal de janeiro de 1986 ao Estimativa mensal de janeiro de 1986 ao mês atual, com resolução de grade de 2,5mês atual, com resolução de grade de 2,5° ° x 2,5°x 2,5°::

http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/global_precip/html/wpage.gpi.html

Técnica BiespectralTécnica Biespectral

Nuvens que são mais brilhantes no visível têm Nuvens que são mais brilhantes no visível têm maior probabilidade de precipitarem do que maior probabilidade de precipitarem do que nuvens mais escurasnuvens mais escuras– Alta refletância está relacionada a altos valores de Alta refletância está relacionada a altos valores de

profundidade óptica e portanto à própria profundidade profundidade óptica e portanto à própria profundidade geométrica da nuvemgeométrica da nuvem

Nuvens que são mais frias em imagens no infra-Nuvens que são mais frias em imagens no infra-vermelho têm maior probabilidade de precipitaremvermelho têm maior probabilidade de precipitarem– Nuvens mais frias têm topos mais altos que nuvens Nuvens mais frias têm topos mais altos que nuvens

mais quentesmais quentes

ExceçõesExceções

Nuvens stratus são brilhantes mas não Nuvens stratus são brilhantes mas não precipitam tanto quanto as cumulonimbusprecipitam tanto quanto as cumulonimbus

Nuvens cirrus são frias, mas não produzem Nuvens cirrus são frias, mas não produzem tanta chuva quanto nuvens mais quentes.tanta chuva quanto nuvens mais quentes.

Técnica biespectralTécnica biespectral

Combina tais regras com a hipótese de que Combina tais regras com a hipótese de que nuvens com maior probabilidade de nuvens com maior probabilidade de precipitar são mais frias e mais brilhantesprecipitar são mais frias e mais brilhantes

Menor quantidade de chuva (e portanto Menor quantidade de chuva (e portanto menor probabilidade de ocorrência de menor probabilidade de ocorrência de chuva) é esperado de nuvens frias, porém chuva) é esperado de nuvens frias, porém escuras (cirrus) e brilhantes porém quentes escuras (cirrus) e brilhantes porém quentes (stratus)(stratus)