O Uso de Satélites Meteorológicos no Brasil

Article paru dans le Rayonnement du CNRS. Le Bulletin de l'association, n° 56 - juin 2011 p. 36-40 Luiz Augusto Machado, Nelson Arai.

Resumo

Este artigo descreve de forma sucinta as atividades na área de meteorologia por satélite do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Brevemente descreve-se desde o uso dos receptores ATP (Automatic Picture Transmission) até os tempos atuais onde produtos operacionais são largamente utilizados no monitoramento do tempo e clima e desastres naturais. Este artigo também descreve os satélites SCD (Satélite de Coleta de Dados) e o CBERS (China Brazil Earth Resources Satellite), a proposta do satélite para medida da precipitação e o novo supercomputador do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos. Os produtos apresentados em destaque são aqueles que contam com uma grande comunidade de usuários para a aplicação a agricultura (radiação solar), para o monitoramento ambiental (queimadas), para a exposição solar (índice ultra violeta) e para a previsão imediata do tempo (Fortracc).

A utilização efetiva e rotineira de informações obtidas por satélites meteorológicos no Brasil começou no início da década de setenta com a recepção de dados do satéliteSMS através de dispositivo denominado receptor ATP (Automatic Picture Transmission). Tratava-se de imagens na forma analógica que eram utilizadas essencialmente para a análise de cobertura por nuvens e de monitoramento de sistemas associados a bandas de nebulosidade como eram os casos dos sistemas frontais, da ITCZ (Inter Tropical Convergence Zone) e das ZCAS (Zona de Convergência do Atlântico Sul), entre outras aplicações. Estes esforços pioneiros começaram no início da década de 1970 no Instituto de Pesquisas Espaciais – INPE, em São José dos Campos, SP.

Ao longo da década de oitenta, com o lançamento de novos satélites e o desenvolvimento de novos sistemas de recepção, algumas instituições se habilitaram a receber dados digitais em diferentes canais espectrais, permitindo observações diurnas e utilização de algoritmos que permitiam inferir alguns parâmetros meteorológicos como albedo e temperatura de topo de nuvens entre outros. Técnicas de navegação, calibração, realce e animação de imagens passaram a ser implementadas visando otimizar o uso das informações de satélite. Tendo em vista a baixa densidade de estações meteorológicas de superfície e as dimensões físicas do Estado brasileiro, em 1993 foi lançado o Satélite de Coleta de Dados (SCD) que atendeu a rede de Plataforma de Coleta de Dados, que passou a ser instalada visando à complementação da rede convencional existente. Neste mesmo ano foi implementado o Projeto de monitoramento de queimadas utilizando informações de satélites meteorológicos. Este programa já se tornou operacional no âmbito do INPE, de forma semelhante ao monitoramento do desmatamento da Amazônia.

Durante a década de 1990 várias instituições públicas e privadas passaram a ter seus próprios sistemas de recepção de dados de satélites, atendendo suas necessidades específicas de pesquisa, desenvolvimento e operação. Isso veio a contribuir no aumento de pessoas e grupos com interesse em informações obtidas por satélite, e consequentemente no desenvolvimento de novos aplicativos e técnicas de processamento de dados de satélites. Além do satélite SCD, de coleta de dados, o Brasil, em 1999, junto com a China, lançou o CBERS um satélite de recursos naturais. Hoje, após o lançamento do CBERS 2 e o 2B, o Brasil se prepara para o lançamento do CBERS 3. Os dados do CBERS são distribuídos gratuitamente o que quebrou o paradigma de venda de imagens de satélites de sensoriamento remoto. Com relação a parte meteorológica, o Brasil está trabalhando na preparação de uma missão para medida da precipitação, esse satélite fará parte da constelação do Global Precipitation Measurement mission (GPM). No momento atual o INPE está trabalhando com o CNES para avaliar a possibilidade de uma missão conjunta para um satélite da constelação GPM. Alem do satélite a missão contempla uma série de experimentos a serem conduzidos em diversas regiões do Brasil para estudar características de diferentes processos de formação de nuvens e de precipitação. Esse projeto chamado CHUVA e financiado pela Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Sâo Paulo (FAPESP) visa entender os processos físicos no interior das nuvens e preparar o segmento solo desse satélite GPM que irá participar da constelação. O processo físico no interior das nuvens é um dos componentes mais desconhecidos do sistema climático. A descrição desses processos através de parâmetros meteorológicos convencionais ainda precisa ser bastante aprofundada de forma que modelos de previsão de tempo e clima consigam descrever, com precisão, o tipo e as características dos hidrometeoros, os perfis de liberação de calor latente, o balanço radiativo, o entranhamento de ar na nuvem e as correntes ascendentes e descentes. Os modelos numéricos estão se aprimorando e rodando em resoluções espaciais nas quais esses processos precisam ser explicitamente descritos. Por exemplo, a análise dos efeitos do aquecimento global em uma dada região necessita de simulações descrevendo todos esses processos. Outra aplicação importante onde se faz necessário conhecer os processos nas nuvens é a estimativa de precipitação por satélite. Nuvens quentes, responsáveis por grande parte da precipitação nos trópicos, principalmente nas regiões costeiras, são pouco estudadas e não são consideradas nas estimativas de precipitação por satélite. Este Projeto realizará experimentos de campo em sete sítios com diferentes padrões climáticos, para estudar os regimes de precipitação no Brasil.

Esses experimentos utilizarão: radar polarimétrico, lidar polarizado, radiômetro de microonda, disdrômetros, radiosondas e vários outros instrumentos. As análises serão realizadas considerando as características microfísicas e a evolução com o ciclo de vida, os modelos de estimativa de precipitação, o desenvolvimento da tempestade e a formação de descargas elétricas, os processos na camada limite e a modelagem da microfísica. Este projeto tem o objetivo de reduzir as incertezas na estimativa da precipitação e progredir no conhecimento dos processos das nuvens, principalmente das nuvens quentes. A pesquisa a ser realizada abrangerá estudos de clima e os processos físicos por meio de observações convencionais e especiais para criar um banco de dados descrevendo os processos de nuvens dos principais sistemas de precipitação no Brasil. O Projeto pretende criar e explorar essa base de dados para melhorar a estimativa de precipitação por satélites e validar e estudar as parametrizações da microfísica das nuvens.O Brasil ainda não tem um satélite meteorológico, mas está trabalhando já há alguns anos, na estruturação de um programa que contemple satélites geoestacionários meteorológicos e de comunicação, cujas características básicas estão elencadas em trabalho publicado no Boletim da Revista Brasileira de Meteorologia (Arai e Machado, 2009). Embora o Brasil não disponha de satélites meteorológicos próprios, o Instituto de Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) conta hoje toda uma gama de produtos operacionais que foram desenvolvidos ou adaptados no Brasil e que atendem uma grande demanda de serviço. Esses produtos são elaborados pelo Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) que além de desenvolver produtos e aplicações de satélites é o mais importante Centro de Meteorologia operacional da América do Sul.

O CPTEC está instalando, nesse final de ano, um novo supercomputador que permitirá ao Brasil melhorar a qualidade de suas previsões meteorológicas e investir no desenvolvimento de cenários climáticos futuros globais e regionais para a América do Sul e outras áreas de interesse, além de sistemas de informação para prevenção de desastres naturais. A velocidade de processamento de pico deste novo supercomputador, de 244 Teraflops por segundo, é superior àquela da maioria das máquinas em operação nos principais centros meteorológicos e de modelagem climática do mundo, de acordo com a última lista do Top500 da Supercomputação, divulgada em novembro do ano passado. Quando instalado, estará entre os cinco supercomputadores mais poderosos do mundo em uso para aplicações meteorológicas, climáticas e ambientais, em termos de velocidade efetiva de processamento. A Figura 2 ilustra a evolução da capacidade computacional do CPTEC. O equipamento permitirá avanços em pesquisa e geração de informações mais confiáveis em várias áreas, entre as quais se destacam:

1 - Melhorias na previsão numérica de tempo, nas previsões climáticas sazonais, e de qualidade do ar realizadas operacionalmente pelo INPE, e aumento das atividades associadas de pesquisa e desenvolvimento.

2 - Geração de novos conhecimentos científicos e desenvolvimento de pesquisas, produtos e modelagem do sistema climático global, com vistas a prover cenários climáticos futuros que vão orientar políticas públicas de mitigação e adaptação às mudanças climáticas.

3 - Aumento da confiabilidade dos prognósticos de eventos climáticos meteorológicos e climáticos extremos, deflagradores de desastres naturais e desenvolvimento da modelagem dos próprios desastres naturais, como deslizamentos em encostas, inundações, secas, etc.

Retornando ao uso de satélites, o CPTEC tem a Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA) que gera uma série de produtos operacionais de monitoramento por satélite e radares meteorológicos. Esses produtos gerados operacionalmente são decorrentes do trabalho realizado em três linhas de pesquisa: a) Radiação no Sistema Terra-atmosfera se dedica ao estudo de fenômenos radiativos e é fundamental para apoio conceitual e numérico às outras linhas de pesquisa. A partir do estudo da intensidade da radiação emergente do planeta e de suas características espectrais é possível avaliar propriedades atmosféricas, tais como a distribuição vertical de temperatura e de umidade, concentração de gases e aerossóis, tipos e propriedades de nuvens, estado e fluxos radiativos à superfície ; b) Teledetecção da Atmosfera se dedica à pesquisa e ao desenvolvimento de métodos de detecção satelital para gerar ferramentas para monitoramento da atmosfera em tempo real, com produção de dados para assimilação em modelos de previsão numérica e para uso imediato em defesa civil, gerenciamento de bacias hidrográficas, geração e distribuição de energia elétrica, entre outros ; c) Teledetecção da Superfície se concentra no monitoramento de fenômenos ambientais naturais (temperatura continental e do mar; estado da vegetação natural, umidade do solo, dentre outros) e antropogênicos (queimadas, desmatamento) de impacto direto em áreas como defesa civil, agricultura, pesca e gerenciamento de recursos hídricos. Estes dados também são de grande valor para se avaliar a interação superfície-atmosfera, sendo assimilados em modelos de previsão numérica de tempo e clima. A DSA disponibiliza uma série de produtos meteorológicos operacionais (Souza et al. 2005) que podem ser acessado através do portal da DSA: http://satelite.cptec.inpe.br Entre os produtos descritos detalharemos quatro em especial: o Fortracc que é utilizado para nowcasting, o índice Ultra violeta, o modelo de radiação a superfície e a detecção de queimadas.

O FORTRACC (FORecast and TRacking of ActiveConvective Cells)

O FORTRACC é um aplicativo que se baseia na determinação de trajetórias e ciclos de vida dos Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) para realizar previsão para até 2 horas. O aplicativo propõe a utilização de imagens do satélite GOES, no canal infravermelho termal, como base fundamental de dados. O estudo das trajetórias e ciclo de vida dos SCM se baseia essencialmente na detecção dos mesmos, através de limiares de temperatura de brilho e de uma área mínima de superposição entre sistemas encontrados em imagens sucessivas (Machado e Laurent, 2004 e Vila et alii., 2008). O método inclui a extrapolação das imagens baseado na fase do ciclo de vida, na expansão da área do sistema e no campo de translação dos sistemas. A Figura 3a apresenta um exemplo de SCM detectado pelo FORTRACC em 05 de abril de 2005, as 00 UTC, e a Figura 3b mostra a evolução de um dos sistemas apresentados, em termos de deslocamento, tamanho e intensidade.

Índice Ultravioleta

O IUV é uma medida adimensional relacionada à intensidade da radiação UV ponderada pelos efeitos sobre a pele humana. Esta intensidade é denominada irradiância eritêmica (IE) e dada por:

onde Iλ espectral e ελ é a resposta espectral da pele humana à radiação em um determinado comprimento de onda (Mc Kinlay e Diffey, 1987). Cada unidade do IUV corresponde a 25 mW/m2 da IE, que é apresentado como uma escala de números inteiros, padronizada pela Organização Mundial da Saúde e relacionada às intensidades para exposição segura ao sol (< 2 – fraco; 3–5 – moderado; 6–7 – alto; 8–10 muito alto; 11 – extremo). No portal do CPTEC são apresentados os seguintes produtos relacionados ao IUV: a) previsões para 5 dias dos valores máximos em condições de céu claro para o Brasil e América do Sul; b) diagnósticos a cada meia hora ponderados para condições de nebulosidade avaliadas por um produto também desenvolvido no CPTEC, baseado em imagens GOES; c) previsões do conteúdo de ozônio com base nas medidas dos sensores TOMS (Earth Probe) e SBUV/2 (NOAA). Os cálculos do IUV são efetuados por um algoritmo computacional previamente comparado com outros disponíveis na literatura (Corrêa, 2004). Mais detalhes e informações podem ser vistas na página: http://satelite.cptec.inpe.br/uv.

Radiação solar por satélite: modelo GL

O modelo GL é aplicado a imagens em alta resolução do canal visível do GOES-E (um pixel em aproximadamente 4 km). O primeiro desenvolvimento foi aplicado a imagens Meteosat (Ceballos e Moura, 1997). A versão GL 1.2 instalada no CPTEC roda operacionalmente, produzindo campos horários e diários de irradiância média global (em Wm-2) para a América do Sul a cada 0.04°. Cada dado é representativo do valor médio em aproximadamente meia hora em tempo e 12 km em dimensão espacial. Como subproduto, o modelo fornece a radiação visível mais a ultravioleta (um estimador da radiação fotossinteticamente ativa - PAR). A Figura 4a ilustra a distribuição de radiação solar (irradiância média diária) sobre a América do Sul, em escala mensal. Foram utilizadas médias em 0,4°×0,4° para interpolação. O grau de detalhamento espacial é claramente superior ao que seria obtido com uma rede solarimétrica. A figura 4b apresenta os valores diários obtidos pelo modelo, comparados com os fornecidos por uma rede de cerca de 100 estações automáticas, localizadas na sua maioria a leste de 50°W. Detalhes e campos atualizados deste produto podem ser vistos na página: http://satelite.cptec.inpe.br/radiacao.

Monitoramento de Queimadas

Monitorar queimadas com satélites e estimar e prever riscos de queima da vegetação são atividades de grande importância para o Brasil. Este tipo de atividade foi iniciado no INPE em meados da década de 80 (Setzer e Pereira, 1986). Por meio deste monitoramento são distribuídos produtos, diversas vezes ao dia, como: coordenadas geográficas dos focos, mapas de risco de fogo da vegetação, fogogramas, alertas por e-mail de ocorrências em Unidades de Conservação e áreas de interesse especial; a divulgação é feita na internet sem custo para o usuário, cerca de três horas após as detecções.

Atualmente são quase 3000 usuários cadastrados recebendo relatórios-resumo diários com dezenas de opções de tabelas, gráficos e mapas que são selecionadas por cada usuário. Também são gerados dezenas de outros produtos, como mapas de concentrações de poluentes emitidos pelas queimadas/incêndios e de seu transporte na atmosfera, que são fornecidos para outros Sistemas de Informação Geográfica por meio de serviços especiais via internet chamados de WebService e que atendem as especificações de padrões internacionais estabelecidos pelo Open Geospatial Consortium (OGC) e a World Wide Web Consortium (W3C). São processadas operacionalmente as imagens AVHRR dos satélites polares NOAA-15, 16, 17, 18, e 19, as imagens MODIS dos satélites polares NASA TERRA e AQUA, as imagens dos satélites geoestacionários GOES-12, e MSG-2. Cada satélite polar produz um ou dois conjuntos de imagens por dia, e os geoestacionários geram algumas imagens por hora, sendo que no total são processados mais de 150 imagens por dia especificamente para detectar focos de queima da vegetação.

A relação foco x queimada (ou incêndio) não é direta nas imagens de satélite. Um foco indica a existência de fogo em um elemento de resolução da imagem (píxel), que varia de 1 km até 6 km. Neste píxel pode haver uma ou várias frentes de fogo distintas e a indicação será de um único foco. E se uma queimada for muito extensa, ela será detectada em alguns píxeis vizinhos, ou seja, vários focos estarão associados a uma única grande queimada. Trabalhos de validação indicam que o erro, na média é de ~400 m, com desvio padrão de ~3 km; cerca de 80% dos focos estão em um raio de 1 km das coordenadas indicadas. São detectadas apenas frentes de fogo com mais de ~30 m de comprimento por ~1 m de largura, sendo registrados cerca de 70% de todos casos. As omissões resultam de obstruções na visada satélite-fogo, como nuvens (mas não de fumaça), dossel denso com fogo rasteiro e topografia íngreme. As coordenadas geográficas dos focos atuais e do passado, estão disponíveis nos formatos texto (ASCII), "shapefile" (.shp) e no padrão Google (.kmz).

Estes dados são utilizados por diferentes segmentos da sociedade brasileira: Jornalistas, Secretarias de saúde, órgãos de combate ao fogo ou fiscalização e preservação ambiental. Entre os principais usuários destes dados destacam-se o Ministério da Saúde, Ministério do Meio Ambiente, Instituto Chico Mendes de Conservação da Biodiversidade, Secretárias estaduais de saúde e meio ambiente, Organizações Não Governamentais como TNC, WWF, IMAZON, entre outros. O Risco de Fogo é calculado essencialmente pelo histórico da precipitação nos últimos 120 dias, temperatura máxima do ar e da umidade relativa do ar mínima, bem como o tipo de vegetação e a ocorrência de focos são também considerados. A partir destes dados são gerados os mapas que indicam a suscetibilida- de da ocorrência do fogo na vegetação em qualquer local da América do Sul.

Derivado do Risco de Fogo o fogograma é um gráfico que apresenta a Previsão Horária do Risco de Fogo para os próximos 5 dias, mais as previsões de Precipitação, Umidade Relativa, Temperatura e Velocidade do Vento. Este conjunto de dados é gerado automaticamente para qualquer ponto na área de monitoramento, e são utilizados diretamente pelas brigadas de combate para pla- nejamento das suas ações. Para maiores informações visite o site: http://sigma.cptec.inpe.br/queimadas.

Referências bibliográficas

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