The impact of interpolation of meteorological … medidas estão dispersas em torno de um valor,...

The impact of interpolation of

meteorological measurements

in the quality of IWV-GNSS

values

Mariana Dias Chaves

Luiz Fernando Sapucci

João F. Galera Monico

Sumário

• Introdução;

• Propagação dos erros do IWV;

• Experimento;

• Dados analisados.

10/9/2010GEGE-Grupo de Estudos em Geodésia Espacial

Introdução

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As observáveis básicas do posicionamento geodésico utilizando o

Sistema Global de Navegação por Satélites (Global Navigation Satellite

System - GNSS) são: distâncias entre as antenas dos satélites artificiais

do sistema e dos receptores com base nos sinais de radiofrequência.

Uma das fontes de

erros associadas a esse

tipo de medidas é a

camada eletricamente

neutra da atmosfera

terrestre, Troposfera,

que causa o chamado

atraso troposférico

(Tropospheric Delay –

Dtrop) nos sinais que a

percorrem. Figura 1: Propagação do sinal de radiofreqüência na atmosfera

Fonte: http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/nota.jsp

Introdução

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Os valores do IWV apresentam um benefício potencial para a Previsão

Numérica de Tempo (PNT), pois com a assimilação desse tipo de dado é

corrigida a estrutura vertical do vapor d’água, e, por conseqüência, se obtêm

um melhor estado inicial no modelo. Atualmente, encontra-se em fase de teste

a assimilação desses dados no Centro de Previsão de Tempo e estudos

Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC-INPE).

As estimativas do atraso, quando tratadas na direção zenital (ZTD) podem ser

convertidas em estimativas do vapor d’água integrado na atmosfera (Integrated

Water Vapor - IWV).

O Dtrop pode ser estimado juntamente com a minimização das demais fontes de

erros das observáveis GNSS.

Introdução

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O emprego de redes de monitoramento contínuo dos sinais GNSS para essa

finalidade, no caso, a utilização dos dados da RBMC (Rede Brasileira de

Monitoramento Contínuo) sobre o território brasileiro requer que medidas de

pressão atmosférica e temperatura sejam realizadas junto à antena GNSS para

obter a máxima precisão nos valores do IWV.

Na ausência de tais medidas, algumas alternativas podem ser a utilização de

valores oriundos de Plataformas de Coleta de Dados (PCDs) ou de

informações provenientes das estações meteorológicas convencionais

homologadas pela Organização Mundial de Meteorologia.

Introdução

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Figura 2: Estações meteorológicas automáticas do Brasil

Fonte: http://www.inmet.gov.br/sonabra/maps/automaticas.php

Figura 3: Estações RBMC no Brasil

Fonte: ftp://geoftp.ibge.gov.br/RBMC/relatorio/RBMC_2010.png

Introdução

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Já nas estações convencionais, o

problema é que as medidas são

efetuadas por operadores e por

isso a taxa de coleta não é

uniforme sendo requerido uma

interpolação temporal nas

medidas.

Embora as PCDs possuam coleta

automatizada e independam da

intervenção humana para a

realização das medições, muitas

delas estão munidas de barômetros

de baixa precisão (1 hPa).

Em ambas as opções há a problemática de que a densidade de estações não é

grande e, por isso, há estações GNSS em que as meteorológicas mais

próximas estão distantes alguns quilômetros, exigindo nesse caso uma

correção nas medidas em função da distância.

Propagação dos erros do IWV

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O IWV é estimado e expresso

em função de medidas.Tm

kkR

ZIWV

w

WD

3'

2

610

.

)00028,0-2cos0026,0-1()1027683157,2(

3-

h

PsxZ

HDWDHDTDZZZ

),',,,,,(32

KKRTmZZZfIWVWWDHDTD

Tais medidas estão dispersas em torno de um valor, apresentando variância.

Para efetivar uma eficiente assimilação do IWV, a análise das fontes de erros

presentes na conversão do valor do atraso em IWV é um fator determinante na

precisão dos valores. Dessa forma, esses erros devem ser quantificados

corretamente.

Propagação dos erros do IWV

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A avaliação das medidas

nas quantidades calculadas

e eventuais correlações

como funções das

dispersões das medições é

definida como a Propagação

de Variância-Covariância

(Propagação dos erros).

22

HDTDWD ZZZ

2

2

3-

2

2

3-

)00028,0)2cos(00026,01(

1027683157,2

)00028,0)2cos(00026,01(

1027683157,200028,0hPs

s

Zh

x

h

Px

HD

24

22

3

22

2

2

2

2

2

2

2

22 3

'

2

YT

K

YTYRZZW

M

T

M

KK

W

R

WD

Z

WDIWV

MWWD

Assim, aplicando-se a Lei de Propagação

Variância-Covariância nas equações, tem-se:

MT

KkY

3'

2YR

W

W

610

Experimento

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Para analisar os dados

provenientes das estações e

confirmar a importância da

determinação da propagação da

variância das variáveis do IWV,

dados de estações meteorológicas e

GNSS foram organizados e

analisados sob dois aspectos: os

impactos em função da latitude e

altitude em que se encontram tais

estações.

Para análise de latitude, foram

consideradas as seguintes estações:Belém (BELE), Recife (RECF), Rio

de Janeiro (RIOD) e Santa Maria

(SMAR).

Para a análise da altitude, foram

consideradas as seguintes estações:Rio de Janeiro (RIOD), São Paulo

(SAOP), Presidente Prudente (PPTE) e

Brasilia (BRAZ).

Figura 4: Localização das estações GNSS e Meteorológicas

Experimento

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Experimento

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Experimento

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Para análise dos resultados

apresentados nas tabelas, ao considerar

os dois aspectos investigados e a

incerteza na temperatura de 1K, a figura

a esquerda foi elaborada e apresenta os

valores dos desvios padrão em função

da latitude.

Da mesma maneira, a figura ao

lado apresenta os desvios padrão

em função da altitude.

Experimento

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A análise dos resultados mostrados na figura com relação à latitude indica que

as incertezas:

• apresentam comportamento diretamente proporcional à incerteza da pressão.

Quanto a comparação entre as estações:

• o maior valor do desvios padrão de IWV está na estação SMAR, e;

• o menor valor é encontrado na estação BELE.

Tais resultados revelam que a incerteza apresenta um padrão de ser maior

quanto maior a latitude da estação.

Experimento

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Quanto a análise com relação à altitude, os resultados indicam que os valores

do IWV também apresentam comportamento diretamente proporcional à

incerteza da pressão.

Quanto a comparação entre as estações:

• os maiores valores de desvios padrão de IWV estão dispostos nas estações

SAOP e BRAZ respectivamente, situadas na maiores altitudes, e;

• valores menores de desvios padrão encontram-se nas estações localizadas

em baixas altitudes.

Tais resultados revelam que a incerteza é diretamente proporcional aos valores

de altitude.

Dados analisados

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Para a conversão de valores do ZTD em valores de IWV há a necessidade de

que medidas da pressão atmosférica de boa qualidade na altura da antena

GPS estejam disponíveis.

A configuração ideal para isso é que os sensores sejam instalados próximos à

antena GPS e que sejam providos de sistemas apropriados de leitura

automática e disponibilizados de forma contínua.

No entanto, as estações GNSS e meteorológicas disponíveis não são densas e

por isso há estações GNSS em que as mais próximas estão distantes alguns

quilômetros exigindo, neste caso uma correção nas medidas.

Dados analisados

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A localização espacial das estações meteorológicas e GNSS, instaladas na

cidade de Salvador (BA), por exemplo, indicam que, embora a rede de

estações meteorológicas no Brasil seja, em algumas regiões, densa, a

distância entre as estações não atende a aplicação.

Em contrapartida, é possível identificar um tipo de problemática envolvendo a

distância das estações meteorológicas e GNSS com a qualidade e distribuição

espacial dos dados medidos das estações disponíveis. Nesse caso, tem-se

uma estação meteorológica ao lado de uma GNSS.

Dados analisados

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Um experimento realizado baseou-se em dados de outro experimento de coleta

intensiva realizada em Alcântara - MA (http://gpmchuva.cptec.inpe.br/)

utilizando dois receptores GPS.

Um problema a ser resolvido era a disponibilidade de valores de temperatura e

pressão junto aos receptores. Enquanto um estava próximo de um radiômetro,

o qual possui sensores meteorológicos de temperatura, pressão e umidade, o

outro tinha duas opções: uma estação automática de número 32573, localizada

a poucos metros de distância, pertencente à rede do INPE, e assim

denominada, e uma estação automática da força aérea, denominada Radar, a

qual estava distante aproximadamente 2 km.

Dados analisados

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Figura 6: Localização das estações meteorológicas do

experimento

Fonte: www.google.com.br

Figura 5: Localização do experimento em Alcântara-MA, Brasil

Fonte: http://gpmchuva.cptec.inpe.br/

Dados analisados

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Estação Radiômetro: adotada como referência para que fosse possível a

comparação entre as estações Radar e INPE, já que os dados das estações

Radar e Radiômetro comportavam-se de maneira semelhante nas séries

temporais, tanto de pressão quanto de temperatura.

Estação Radar: intitulada parâmetro de comparação para as outras, por ser

uma estação meteorológica fixa e de taxa de amostragem grande com coletas

de 1 minuto enquanto que as estações INPE e Radiômetro apresentavam as

taxas 3 horas e 6 minutos respectivamente.

Dados analisados

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Os dados dessas estações foram comparados a fim de avaliar o impacto no

IWV-GPS.

Dados analisados

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Após a verificação de sua consistência, a estação de número 32573 no sitio do

INPE, apesar de apresentar bons resultados quanto a temperatura, não seria

indicada para uso de coleta de pressão. Fato que se dá por ser uma estação

com baixa taxa de amostragem, e que pode apresentar falhas técnicas.

Agradecimentos

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