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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.43.2017.tde-18122017-090055
Documento
Autor
Nome completo
Marina Monteiro Mendonça
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Correia, Alexandre Lima (Presidente)
Pauliquevis Junior, Theotonio Mendes
Sena, Elisa Thomé
Título em português
Estudo de propriedades de nuvens no contexto de sensoriamento remoto com satélites usando códigos de transferência radiativa
Palavras-chave em português
Códigos de transferência radioativa; Sensoriamento remoto; Nuvens; Atmosfera;
Resumo em português
Nuvens desempenham papel fundamental no balanço radiativo terrestre, e o conhecimento de suas propriedades micro e macrofísicas é importante para o estudo do clima global. O desenvolvimento de nuvens esta ligado à dinâmica da atmosfera, fluxos de energia térmica e radiativa à superfície, e também depende crucialmente do tamanho de seus hidrometeoros. Uma ferramenta importante para o estudo de hidrometeoros em nuvens de grande escala e o sensoriamento remoto por satélite, que representa uma alternativa para se estudar propriedades de nuvens em grandes escalas espaciais. No entanto, atualmente não há estudos para subsidiar análises de propriedades microfísicas de nuvens a partir de plataformas geoestacionárias. Neste trabalho foram comparados dois códigos de transferência radiativa amplamente utilizados pela comunidade científica, SBDART e libRadtran, em simulações considerando variações de propriedades atmosféricas, de superfície, macro e microfísicas de nuvens. Em seguida estudou-se a transferência radiativa em nuvens de água e gelo determinando o impacto simulado de diversas geometrias de iluminação e observação nas radiâncias medidas por sensoriamento remoto. Finalmente, foram desenvolvidas tabelas de referência para a determinação de tamanho de hidrometeoros em nuvens, para fases líquida e solida, a partir de radiâncias medidas por um sensor em satélite geoestacionário. As comparações entre SBDART e libRadtran mostram resultados sistematicamente subestimados pelo libRadtran. Em um céu sem nuvens a diferença entre as refletâncias calculadas em ambos os modelos é inferior a 4% quando consideradas variações em albedo de superfície e coluna de ozônio. Em um céu com nuvens a diferença entre os resultados dos modelos para comprimento de onda de 630 nm e intervalo visível (590 a 660 nm) pode chegar ate 18% para variações de profundidade óptica entre 0 e 20. Para profundidade óptica maior que 20 essas diferenças variam entre 4 e 9%, além de refletâncias constantes para o intervalo entre 3850 e 4000 nm e para comprimento de onda de 3900 nm. A divergência de resultados obtidos pelos dois modelos é atribuída a diferenças estruturais entre os códigos, uma vez que atualmente apenas o libRadtran apresenta atualizações periódicas pela comunidade científica. Assim, este modelo foi utilizado para a construção da tabela de referência simulando medidas de radiâncias em plataforma geoestacionária. A tabela construída compreende 86 valores de raios efetivos de hidrometeoros, variando entre 2 e 59m, com fases termodinâmicas de água e gelo, 16 valores de geometria de observação solar, 3 valores de âgulos de observação, 2 valores de azimute relativo, e condições fixas de profundidade óptica de nuvem de 50, conteúdo integrado de ozônio de 255 DU e 60mm de vapor d água. Essas condições foram escolhidas como representativas para a região Amazônica. Em um teste de aplicação direta da tabela de referência a medidas de radiância realizadas com satélite geoestacionário foram obtidos raios efetivos entre 2 e 30m para gotículas de água e até 24m para cristais de gelo. Os resultados obtidos neste trabalho poderão ser aplicados futuramente a medidas obtidas por plataformas geoestacionárias em estudos de tamanhos de hidrometeoros, tornando possível a análise de sua evolução temporal.
Título em inglês
Study of properties of clouds in the context of remote sensing using radiative transfer codes
Palavras-chave em inglês
Radiative transfer codes; Remote sensing; Clouds; Atmosphere;
Resumo em inglês
Clouds play a fundamental role in the terrestrial radiative balance, and knowledge of its micro and macrophysical properties is important for the study of global climate. Cloud development is linked to the dynamics of the atmosphere, thermal and radiative energy flows to the surface, and also depends crucially on the size of its hydrometeors. An important tool for the study of large-scale cloud hydrometeors is satellite remote sensing, which represents an alternative to study cloud properties at large spatial scales. However, there are currently no studies to support analyzes of microphysical properties of clouds from geostationary platforms. In this work, two radiative transfer codes widely used by the scientific community, SBDART and libRadtran, were compared in simulations considering variations of atmospheric, surface, macro and microphysical properties of clouds. Next, radiative transference was studied in water and ice clouds, determining the simulated impact of various lighting and observation geometries on radiances measured by remote sensing. Finally, look-up tables were developed for the determination of the size of hydrometeors in clouds, for liquid and solid phases, from radiances measured by a geostationary satellite sensor. The comparisons between SBDART and libRadtran show results systematically underestimated by the libRadtran. In a cloudless sky the difference between the reflectances calculated in both models is less than 4% when considering variations in surface albedo and ozone. In a clouded sky the difference between the model results for wavelengths of 630 nm and the visible range (590 to 660 nm) can reach up to 18% for optical depth variations between 0 and 20. For optical depths greater than 20, these differences range from 4 to 9%, in addition to constant reflections for the range of 3850 to 4000 nm and for a wavelength of 3900 nm. The divergence of results obtained by the two models is attributed to structural differences between the codes, since currently only the libRadtran presents periodic updates by the scientific community. Thus, this model was used for the construction of the reference table simulating measurements of radiances in geostationary platform. The constructed table comprises 86 values of effective radii of hydrometeors, ranging from 2 to 59m, with thermodynamic phases of water and ice, 14 values of geometry of solar observation, 3 values of angles of observation, 2 relative azimuth values, and fixed cloud optical depth conditions of 50, integrated ozone content of 255 DU and 60mm of water vapor. These conditions were chosen as representative for the Amazon region. In a test of direct application of the look-up table to measurements of radiance obtained with geostationary satelite we obtained effective radius up to between 2 and 30 for water droplets and up to 24 for ice crystals. The results obtained in this work can be applied in the future to measurements obtained by geostationary platforms in studies of sizes of hydrometeors, making possible the analysis of their temporal evolution.
 
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dissertacao_mmm.pdf (4.58 Mbytes)
Data de Publicação
2017-12-18
 
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