ࡱ> pro{5@!Jbjbj224XX@<  <<<8<=\EX.>L8?"Z?(??@TAA]AWWWWWWW$sYR[WD@@DDW??gWIIID??WIDWIIII?> БPO:<FIQX0EXI\RH<\II\J<mAA^IOBLBwmAmAmAWWd!d'DId' Analise do sensor HSB na estimativa do contedo integrado de vapor dgua: Um Estudo aplicado ao RACCI/LBA. Wagner Flauber Arajo Limaa Luiz Augusto Toledo Machado1b ABSTRACT This paper exploited the capability of the HSB (Humidity Sensor for Brazil) in the retrieval of the Integrated Water Vapor Content. This study uses the RTTOV-7 to simulate the radiance measured from the HSB. The Analyses was applied for the RACCI-LBA experiment, for set of independents radiosondes was released at the 4 time per day, during months of September and October 2002. This set of radiosonde was assimilated at the RTTOV model to simulated the HSB radiances. The results show the potential use of each channel for the retrieval of the upper tropospheric water vapor for clear sky or for low level cloud cover. A combination of the 4 channels, deduced from a linear model shows that IWV can be retrieved with a certain error. RESUMO Este artigo explora a capacidade dos canais do HSB na recuperao do contedo integrado do vapor dgua. Este estudo utiliza o modelo de transferncia radiativa, RTTOV-7, para simular medidas de radincia dos canais do sensor HSB. As analises foram aplicadas no experimento RACCI-LBA, para um conjunto radiossondas, no perodo de setembro e outubro de 2002. Esse conjunto de radiossonda foi assimilado no modelo RTTOV para simular as radincias do HSB. Os resultados mostram o potencial do uso de cada canal para estimar o vapor dgua nos altos nveis da troposfera para condio de cu claro ou para cobertura de nuvens em baixos nveis. Uma combinao de 4 canais, deduzida de uma modelo de regresso linear mostra que o IWV pode ser estimado com uma erros dentro do esperado. 1 - INTRODUO O satlite Aqua, lanado em 2002, tem a bordo o primeiro sensor brasileiro de umidade, HSB (Humidity Sensor Brazil). Esse instrumento foi desenvolvido para obter informaes do contedo de vapor dgua na atmosfera, e quando usado em conjunto com os instrumentos AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) e AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), tambm abordo do Aqua, permite inferir sondagens de perfis atmosfricos de temperatura e umidade, sob condies de cu claro e nublado (King and Greenstone, 1999). O HSB consiste em quatro canais passivos na regio de microondas, sensveis apenas para a polarizao vertical e com resoluo de 13.5 km no nadir. So quatros canais separados com freqncias centradas em 150, 183,31 GHz. O canal de 150 GHz um canal da janela contaminada por vapor dgua. Enquanto os outros trs canais agrupados em torno de 183,31 GHz encontram-se na linha de absoro do vapor dgua. As freqncias e caractersticas dos canais do sensor HSB so dados na tabela 1. Infelizmente, o HSB teve uma falha no circuito eletrnico que controla a movimentao do motor, e no incio de 2003 o instrumento HSB teve que ser desativado para no prejudicar os outros sensores a bordo do satlite. Diante desse fato, o nosso estudo passou enfocar o potencial das bandas de 150 e 183 GHz para estimativa do contedo integrado de vapor na atmosfera. Logo, esses estudos realizados podero ser teis se aplicado a outros sensores na mesma faixa de freqncia tais como: o SSM/T-2 (Special Sensor Microwave/Temperature-2) e o AMSU-B(Advanced Microwave Sounding Unit-B). TABELA 1 CARACTERSTICAS TECNICAS DOS CANAIS DO HSB Canais do HSBNmero do CanalFreqncia central (GHz)Amplitude da Banda (GHz)Mximo da Funo Peso (HPa)1150 0.92 x 1Superfcie2183,31 12 x 0,54003183,31 32 x 16004183,31 72 x 2750 Adaptada de Staelin and Chen (2000). Muitas pesquisas tm enfocado os canais de microondas para recuperao de perfis de vapor dgua na atmosfera. Schaerer and Wilheit (1979) foram uns dos primeiros a investigarem os canais de 183 GHz usando simulaes com a equao de transferncia radiativa para situaes de cu claro. Os resultados deles sugeriam que esses canais podiam produzir perfis de vapor dgua sobre o oceano. . Outros autores (Rosenkranz et al., 1982; Wang et al., 1983; Kakar and Lambrigtsen, 1984; Blankenship et al., 2000; Sonh et al., 2003) mais adiante examinaram procedimentos de recuperao do perfil de vapor dgua utilizando mtodos fsicos e estatsticos. Rosenkranz et al. (1982), simulou o contedo integrado de vapor dgua e perfis de umidade relativa, usando a inverso da equao de transferncia radiativa, nas frequncias de 60 e 183 GHz, sobre a terra e oceano. Wang et al. (1983), utilizou um mtodo de Kalman-Bucy filter para obter perfis de vapor dgua usando dados em 183 GHz, medidos pelo avio WRB-57 da NASA. Kakar and Lambrigtsen (1984), analisou uma tcnica estatstica para estimativa o perfil de vapor dgua usando os canais do sensor AMSU (A e B). Recentemente Blankenship et al. (2000) e Sonh et al. (2003) utilizaram o sensor SSM/T-2, abordo dos satlites F-11, F-12 e F-14 da DMSP (Defense Meteorological Space Program), para estima o vapor dgua nos altos nveis da troposfera, atravs da inverso da equao de transferncia radiativa, utilizando um mtodo de relaxao fsica. Neste artigo ns aplicamos uma tcnica de correlao estatstica para recuperar o contedo integrado do vapor dgua (IWV) sobre condies de cu claro, utilizando os canais do sensor HSB. O algoritmo foi desenvolvido para o ngulo de visada do satlite sobre o nadir. Para validar o algoritmo descrito aqui, foram utilizados os dados da campanha RACCI/LBA realizado em Rondnia, no perodo de 2002. 2 - ALGORITMO DE RECUPERAO DO IWV O mtodo empregado por ns, foi que a quantidade de integrado de vapor dgua IWV(n) na camada n dado por:  EMBED Equation.3 (1)Onde N o numero de canais e as combinaes entre eles utilizados, a(n) e bi(n) so coeficientes de regresso e Tb((i) a temperatura de brilho medida na freqncia (i. Os coeficientes de correlao foram obtidos de uma base de dados de perfis de temperatura e vapor dgua e as correspondentes temperatura de brilho simuladas para cada canal. O melhor subconjunto de N canais foi selecionado para cada camada pelo mtodo de regresso de Stepwise. O bi(n) para o canal no selecionado igual a zero. Os coeficientes de correlao foram obtidos de trezentos e cinqenta radiossondas, lanada em 4 stios experimentais durante o experimento RACCI/LBA, no estado da Rondnia, maiores informaes so encotrados em Silvas Dias et. al (2002). Para cada radiossonda foi calculado o IWV para quatro camadas dentro do intervalo deste a superfcie at o nvel de 200 mbar. As camadas de presso foram escolhidas de maneira que cada uma representa-se o mximo da funo peso para os canais do HSB. Para o calculo do IWV utilizou-se equao (2) que integra a umidade absoluta do vapor dgua ((w) desde a base da camada (ho), at a altitude do topo da camada (h) (Vianello & Alves, 1991), ou seja:  EMBED Equation.3 (2) Os valores de IWV mximo e mnimo para as camadas escolhidas e os valores para toda a camada atmosfrica so mostrados na tabela 2. TABELA 2 VALORES MXIMO E MNIMO DE IWV PARA CADA CAMADA E O VALOR IWV TOTAL CamadasMximoMnimoMdiaSfc-80031,6816,3724,43800-60019,284,0514,33600-4009,760,355,22400-2002,030,010,73IWVtotal60,2327,7944,71 As temperatura de brilho Tb((i) para cada canal do sensor HSB foi calculada para o ngulo de visada do satlite no nadir para cada uma das 350 radiossondas, assumindo uma superfcies continental de emissividade ( = 0,9. O modelo de transferncia radiativo utilizado para as simulaes foi o RTTOV-7 (Matricardi et al.,2001). O RTTOV permite uma simulao rpida da radincia para radimetros na faixa do infra e microondas, usando uma forma aproximada da equao de transferncia radiativa a qual negligencia o espalhamento. O modelo utiliza perfis atmosfricos de temperatura e umidade e concentraes de gases e propriedades da superfcie e nuvens. Devido a disposio das funes pesos dos canais de absoro do vapor dgua (183 GHz) encontrarem nos altos nveis da troposfera, a ausncia de informaes dos baixos nveis da troposfera pode acarretar em erros na estimativa do contedo integrado do vapor dgua. Apesar do canal de 150 GHz ter seu mximo prximo a superfcie, por outro lado esse canal fortemente influenciado pela emisso da superfcie. Para suprir a ausncia dessa informao foram realizadas combinaes entre os canais de maneira a obter a melhor relao para os baixos nveis. Foi criado uma nova varivel,  EMBED Equation.3 , que representa a diferena do canal de 150 GHz menos a temperatura pondera utilizando os canais na faixa de 180GHz, equao (3).  EMBED Equation.3 (3) onde Tb1 temperatura de brilho do canal de 150 GHz, Tbi so os canais de 183,31 1, 3 e 7, para os valores de i = 2, 3 e 4, respectivamente. di so os coeficientes de correlao linear estimada para os canais Tbi, e dtotal a soma de todos os coeficientes. Para selecionar os subconjuntos dos canais mais significativos para cada camada foi utilizado o procedimento de regresso linear mltipla de Stepwise. Os canais selecionados para cada camada so mostrados na tabela 3. Foram tambm utilizadas as depresses do canal de uns com os outros canais. Na ultima coluna encontra-se os coeficientes de correlao mltiplos para cada camada. TABELA 3 MELHORES SUBCONJUNTOS DOS CANAIS E COMBINAES ENTRE ELES PARA ESTIMAR O IWV PARA REGIO TROPICAL. OS CANAIS SELECIONADOS POR MELHOR CORRELAO SO DENODADOS POR ASTERISCO. CamadaTB_1TB_2TB_3TB_4T_comTB4-TB3TB4-TB2rSFC_800***0,46800_600***0,86600_400**0,95400_200**0,90 3 - RESULTADOS Esse mtodo de recuperao do contedo integrado do vapor dgua foi testado em uma experincia de simulao numrica, aplicando ao cdigo de transferncia radiativa, RTTOV-7, dados de radiossonda da campanha RACCI/LBA independente das utilizadas para extrao dos coeficientes de correlao, num total de 160 radiossondas. Os resultados estatsticos so descritos na tabela 4. A segunda coluna e terceira da tabela dar a mdia e o desvio padro, respectivamente, do IWV para cada camada para os dados das 160 radiossondas utilizadas na comparao. A temperatura de brilho dos canais do HSB foram simulada para cada radiossonda levando em conta as mesmas situaes que foram assumidas para determinao dos coeficientes de correlao, so elas: emissividade (( = 0,9), situao de cu claro e ngulo de visada sobre o nadir. Utilizando as temperaturas de brilho simuladas e os coeficientes de regresso a(n) e bi(n), nos realizamos a estimativa de IWV em toda coluna da atmosfera atravs do somatrio de cada camada, obtida pela equao (1). TABELA 4 COMPARAO ESTATISTICAS DO IWV ESTIMADO COM O DAS RADIOSONDAS RadiossondaEstatsticasCamadasMEDIA (kg/m2)DES_P (kg/m2)R2BIASRMS(%)SFC_80024,562,63-0,030,5911,11800_60014,741,900,500,179,16600_4005,431,930,890,0411,61400_2000,760,420,830,00123,01IWVtotal45,495,200,600,807,45 A quarta coluna da tabela 4 mostra os coeficiente de determinao entre o IWV estimado e calculado pela radiossonda para cada camada. Observa-se que o IWV da camada da superfcie at o nvel de 800 mbar o que menos se correlaciona com os canais do HSB, isto ocorre porque os canais de em torno da banda de absoro do vapor dgua (183,31) tem o mximo da funo peso nos altos nveis da troposfera. Apesar do canal de 150 GHz ter o mximo da funo peso na superfcie, ele porm fortemente influenciado pela emisso da superfcie. J para as camadas nos altos nveis os canais do HSB mostraram-se bastante significantes para estimativa de IWV nos altos nveis. As estimativas de IWV para as camadas de presses estabelecidas geraram erros de rms em torno de 10 %, com apenas uma camada que gerou um erro de 23 %, para a estimativa total do IWV apresentou um erro de rms de 7,45%, valor inferior as obtidos por Blankenship et al. (2000) e Sonh et al. (2003), que utilizaram mtodos fsicos para a estimativa do contedo integrado do vapor dgua na atmosfera. Para ilustra a relao entre a temperatura de brilho e o contedo integrado de vapor dgua na atmosfera alguns resultados na camada de 600 ate 400 mbar mostrado na figura 1 e 2. Nesta camada de presso os canais escolhidos para o subconjunto foram os canais de 183,31 3 e 7, os quais possuem os mximos da funo peso prximo a essa camada. A figura 1 mostra a temperatura de brilho individual do canal de 183,31 7 com um alto coeficiente de correlao (r2 = 0,8462). Por outro lado, a figura 2 mostra o grfico de disperso do IWV total simulado com o calculado pela radiossonda, que no tem uma correlao(r2 = 0,5942) to boa quando para a camada. Isso mostra que importante ter informao das camadas da atmosfera como um todo, para tentar ter uma boa estimativa do IWV no total. Figura 1 Variao da temperatura de brilho do canal 183,31 7 versus o IWV da camada de 600 a 400 mbar.Figura 2 Comparao do IWV total estimado pelo os canis do HSB e o calculado pelas radiossondas. 4 CONSIDERAES FINAIS O presente trabalho apresenta um algoritmo que foi desenvolvido para o experimento RACCI/LBA realizado no estado de Rondnia, no perodo de set-out de 2002, as tabelas 3 e 4 indicam fortemente que o IWV pode ser estimado deste a superfcie at 200 mbar utilizando os canais do sensor HSB com erros de rms em torno de 7,45 %. Uma das causa desse erro pode estar sendo causada pela baixa correlao dos canais do sensor HSB com os baixos nveis na troposfera, onde se observa a maior concentrao de vapor dgua nos dados de radiossondas utilizados para nosso estudo. Os canais do sensor HSB mostram-se bastantes promissores para estimar o IWV nos altos nveis da troposfera, principalmente com os canais de absoro do vapor dgua (183,31). Estes estudos tornam-se interessante por usar uma simples regresso linear mltipla, o qual nos permiti um fcil manuseio com as equaes preditoras, o que no ocorre com os mtodos que utilizam mtodos fsicos atravs do uso da equao de transferncia radiativa. Finalmente, preciso lembrar que esse estudo foi realizado apenas para uma regio onde sua variabilidade do contedo do vapor dgua bastante pequena, porm com valores de IWV bastantes grandes. Assim, ficando restrito o uso dos coeficientes de correlao estimado para as regies que possuam caractersticas dentro dos limites mostrados na tabela 2. 5 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Blankenship, C.B., A al Khalaf and T. T. Wilheit; 2000: "Retrieval of Water Vapor Profiles Using SSM/T-2 and SSM/I Data" J. Atmos. Sci. 57, 939-955. Byung-JuSohn, Eui-SeokChung, JohannesSchmetz, and Eric A.Smith, 2003: Estimating Upper-Tropospheric Water Vapor from SSM/T-2 Satellite Measurements. Journal of Applied Meteorology , pages 488504. Matricardi M., Chevallier F., and Tjemkes S.: An improved general fast radiative transfer model for theassimilation of radiance observations. Technical Report 345, European Centre for Medium RangeWeather Forecasts, Reading, United Kingdom, 2001. Kakar, R. K. and B. H. L. a, 1984: A statistical correlation method for the retrieval of atmospheric moisture profiles by microwave radiometry. J. Climate Appl. Meteor., 23, 1110-1114. King, M. D. and Greenstone R. 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