ESTIMAÇÃO DO CAMPO TRIDIMENSIONAL DO VAPOR DE ÁGUA TROPOSFÉRICO ATRAVÉS DE TÉCNICAS DE TOMOGRAFIA POR GNSS E INSAR

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Estimação do campo tridimensional do vapor de água troposférico através de técnicas de tomografia por GNSS e InSAR

Publication . Benevides, Pedro José Santos da Costa, 1981-; Fernandes, João Catalão, 1962-; Miranda, Pedro M. A., 1954-

A avaliação do conteúdo do vapor de água atmosférico é uma tarefa crucial para o estudo da meteorologia. Presentemente o vapor de água não é observado pelos sensores meteorológicos com uma resolução espacial e temporal suficiente, revelando-se como uma das maiores fontes de erro na previsão dos modelos numéricos, particularmente em situações de ocorrência de fenómenos meteorológicos severos. O objetivo principal deste trabalho consistiu em desenvolver um sistema tomográfico baseado em dados GNSS (Global Navigation Satellite System), que permitisse estimar o campo 3D do vapor de água troposférico numa região, de forma a avaliar a sua elevada variabilidade espácio-temporal num referencial 4D (3D espaciais mais o tempo). As observações oblíquas que rastreiam continuamente a atmosfera a partir de um conjunto de estações GNSS no terreno permitem, através da discretização do espaço da troposfera numa grelha 3D, a formulação de um sistema de equações que relaciona a medida do atraso troposférico do sinal GNSS e o vapor de água em cada espaço da grelha. O problema inverso, proposto pela tomografia GNSS, é resolvido aplicando técnicas de mínimos quadrados com incorporação de constrangimentos espácio-temporais na estabilização do sistema, que são necessários devido à cobertura insuficiente da grelha 3D por parte das observações GNSS. É investigada a inclusão de diversas medições meteorológicas externas no sistema, como perfis de radiossondas, imagens de satélite processadas com a técnica da interferometria SAR e a inclusão de produtos provenientes de sensores multiespectrais como o MODIS (Moderate-resolution imaging spectroradiometer) ou o AIRS (Atmospheric Infrared Sounder). Os lançamentos de radiossondas fornecem informação sobre a distribuição vertical da humidade na troposfera, que é fundamental para resolver o sistema tomográfico, enquanto a aquisição de imagens de satélite introduz uma alta densidade espacial de informação, devido à elevada quantidade de píxeis fornecida numa só imagem. A metodologia para realizar a tomografia GNSS foi desenvolvida de raiz e aplicada a um conjunto de estações existentes na região da Grande Lisboa, sendo um estudo pioneiro ao nível do país. Foram reunidas imagens InSAR, MODIS e AIRS localizadas sobre esta área, para realizar os constrangimentos espácio-temporais no sistema de equações. A aferição da qualidade dos resultados obtidos pela tomografia é realizada através de perfis radiossondagens e simulações da atmosfera determinadas através de simulações de modelos WRF (Weather Research and Forecast). É observado que a introdução de medições externas de humidade, para além de permitir preencher melhor o espaço da grelha tomográfica facilitando o processo de inversão do sistema de equações, permite obter uma solução 3D do vapor de água mais próxima da realidade. Neste trabalho foram também efetuados alguns estudos não relacionados diretamente com a tomografia. Foi analisada uma série contínua de dados para avaliar a relação entre o comportamento do sinal meteorológico GNSS e a ocorrência de precipitação nas estações meteorológicas locais. É observada uma correlação positiva entre eventos de precipitação intensa e o aumento rápido do PWV medido em estações GNSS. Ficou demonstrando que a combinação de dados meteorológicos com dados GNSS numa estação pode fornecer informação adicional para a previsão local e em tempo quase real de precipitação intensa. Outro estudo importante consistiu na simulação de dados GNSS, a partir dos sistemas GPS (Global Positioning System) e Galileo, avaliando o benefício para a solução tomográfica quando o sistema europeu estiver operacional. É avaliada uma série temporal contínua de soluções de um dia através da introdução de perturbações numa solução de atmosfera padrão, tendo-se verificado que o aumento do número de observações com a introdução do sistema Galileo aumenta a capacidade da tomografia GNSS na reconstrução das perturbações. A comparação visual e estatística das soluções da tomografia GNSS, avaliando a sua precisão através de perfis de radiossonda ou de simulações do modelo atmosférico WRF, indica em geral uma boa concordância com estas técnicas para todas as experiências e testes de sensibilidade realizados neste trabalho. A possibilidade de no futuro se integrar simultaneamente as observações dos diversos sistemas na tomografia GNSS poderá permitir a obtenção de soluções mais realistas.

2016Tese de doutoramento

Acesso aberto

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Entidade financiadora

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Número da atribuição

SFRH/BD/80288/2011