MO Cap. 7 — Dados atmosféricos e observações meteorológicas

1. Dados atmosféricos: o que se observa

A maior parte do conhecimento sobre a estrutura física e a dinâmica da atmosfera e dos oceanos é baseada em observações locais. Este capítulo descreve as várias formas de registrar os dados atmosféricos — das estações em terra às radiossondas, navios, aeronaves, satélites e radares — e como esses dados são tratados antes de virarem mapas e entrarem nos modelos de previsão.

Fonte: YNOUE, Rita Yuri; REBOITA, Michelle S.; AMBRIZZI, Tércio; SILVA, Gyrlene A. M. da. Meteorologia: noções básicas. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. Cap. 7 — Dados atmosféricos.

Edital: Anexo 2-A, Área V (Meteorologia e Oceanografia) — item 10.1 (Medida da pressão atmosférica) e tópicos de observação/instrumentação meteorológica: estações de superfície convencionais e automáticas (PCD), abrigo meteorológico, padronização de horários (UTC/SYNOP), observações de ar superior (radiossondas), marítimas (navios, boias), por aeronaves, por satélites (geoestacionário e polar) e por radar/sodar/lidar; controle de qualidade e assimilação de dados · item 21 (Interpretações de Informações Meteorológicas — imagens de satélite, cartas de pressão) · Anexo 2-B, Área V, item 2 (Ynoue, livro sem lista de capítulos; escopo fixado pelo 2-A).

O exemplo mais simples de observação in situ (no próprio local) é o registro diário da chuva acumulada em 24 horas num pluviômetro instalado num ponto fixo. Com o avanço tecnológico surgiram outras formas de medir as variáveis meteorológicas e oceanográficas, como satélites e estações automáticas, que ampliaram muito a cobertura espacial das medidas. As duas grandes etapas tratadas a seguir são os tipos de observação (§2) e a utilização dos dados depois de coletados (§3).

2. Tipos de observação

A observação das variáveis atmosféricas é feita em várias plataformas, cada uma com seu alcance: estações em terra, radiossondas em altitude, navios e boias nos oceanos, aeronaves nas rotas de voo, satélites cobrindo grandes áreas e radares para a chuva. Esta seção percorre cada uma delas.

2.1 Observações de superfície

A Organização Meteorológica Mundial (OMM) mantém uma rede com mais de 11 mil estações meteorológicas distribuídas pelo globo, que observam a atmosfera próximo à superfície. Essas estações recebem siglas conforme a localização: as de aeroportos são identificadas por METAR, as instaladas em navios por SHIP e as demais estações convencionais por SYNOP.

Fig. 7-1 Localização das estações meteorológicas de superfície pertencentes à rede da OMM (adaptado de WMO, 2011)

Uma estação meteorológica abriga um conjunto de instrumentos que medem as variáveis atmosféricas e pode ser de dois tipos: convencional ou automática. Na convencional, um observador — técnico treinado que trabalha na estação — faz a leitura dos instrumentos pelo menos três vezes ao dia, em horários padrão da OMM. Na automática, os dados são registrados e armazenados em computadores sem intervenção humana.

Por que medir ao mesmo tempo. As informações registradas simultaneamente em muitas estações alimentam várias áreas da Meteorologia. Na Meteorologia Sinótica, por exemplo, os dados de um mesmo horário permitem montar os mapas sinóticos, que mostram as condições da atmosfera num instante e ajudam a inferir o tempo futuro.

Estação meteorológica convencional

As estações convencionais reúnem vários instrumentos com sensores que registram pressão atmosférica, temperatura e umidade relativa do ar, precipitação, radiação solar e direção e velocidade do vento. Alguns instrumentos ficam expostos ao ar livre — o pluviômetro, o pluviógrafo e o heliógrafo —, enquanto outros ficam dentro de um abrigo meteorológico: o psicrômetro, os termômetros de máxima e mínima, o termógrafo, o barógrafo e o evaporímetro (medidor de evaporação à sombra).

Fig. 7-2 Estação meteorológica de superfície convencional (cortesia da Estação Meteorológica do IAG/USP)

O abrigo existe para evitar que a luz do Sol incida diretamente sobre os instrumentos e para mantê-los num ambiente bem ventilado. No Brasil, é feito de duas caixas de madeira, uma dentro da outra, com paredes laterais em venezianas de inclinação oposta. Há regras de instalação que caem com frequência em prova:

Orientação das portas. Depois de instalado, o abrigo deve ter as portas voltadas para o polo do hemisfério em que se encontra, o que evita a entrada de luz solar direta quando elas são abertas.
Pintura. O abrigo é pintado por dentro e por fora com tinta branca de alta refletividade, para minimizar a absorção de radiação solar.
Altura. Um suporte de quatro pernas mantém os instrumentos a 1,5 m de altura da superfície.
Sítio. A estação fica sobre vegetação rasteira e longe de obstáculos (construções, árvores), que interferem na intensidade e na direção do vento.

Fig. 7-3 Abrigo de instrumentos meteorológicos usados em estações convencionais; em detalhe, a disposição das venezianas (adaptado de Varejão-Silva, 2006)

Fig. 7-4 Abrigo de estação meteorológica (cortesia da Estação Meteorológica do IAG/USP)

Ilha de calor urbano. Muitas estações que antes ficavam em campos abertos hoje estão cercadas por grandes cidades, o que pode elevar os valores de temperatura registrados. Esse aquecimento local é frequentemente confundido com o aquecimento global, mas tem origem urbana, não planetária.

No Brasil há algumas redes de estações de superfície; a maior pertence ao Instituto Nacional de Meteorologia (Inmet).

Fig. 7-5 Localização das estações meteorológicas de superfície convencionais pertencentes ao Inmet (Inmet, 2016)

Estação meteorológica automática

A estação automática, também chamada de plataforma de coleta de dados (PCD), é uma torre com vários sensores automáticos — pressão, temperatura e umidade relativa do ar, precipitação, radiação solar e direção e velocidade do vento — ligados a uma unidade de memória central. As PCDs podem se conectar diretamente a um sistema de computadores ou a satélites de coleta de dados.

Fig. 7-6 Exemplo de plataforma de coleta de dados (PCD) (CPTEC, s.d.)

A instalação exige local plano, longe de instalações elétricas e de obstáculos que possam bloquear o sinal do transmissor — mesma exigência de afastamento das estações convencionais.

Fig. 7-7 Localização das estações meteorológicas de superfície automáticas pertencentes ao Inmet (Inmet, 2016)

Padronização do horário das observações

Para ter dados do globo no mesmo instante de referência, a OMM definiu horários padrão baseados no meridiano de Greenwich. As observações de toda a rede são feitas no tempo médio de Greenwich (TMG), também chamado de tempo universal coordenado (UTC) ou tempo Zulu (Z). Os horários sinóticos são 00, 06, 12 e 18 UTC. Como referência prática: 12 UTC corresponde às 9 h de Brasília (ou 10 h no horário de verão).

Detalhe de procedimento (pegadinha). A leitura do instrumento que registra a pressão atmosférica deve ser feita rigorosamente no horário exato. Já os demais instrumentos são observados nos dez minutos que antecedem o horário definido. Logo após a observação, os dados são codificados no código SYNOP e transmitidos aos grandes centros de meteorologia.

No Brasil, os dados sinóticos da rede do Inmet seguem para os distritos regionais, depois para a sede em Brasília, que processa e distribui as informações para o mundo via satélite. Os dados ficam disponíveis na internet por uma semana, e qualquer pessoa com o software Local Data Manager (LDM) consegue capturá-los.

2.2 Observações de ar superior

As condições da atmosfera em altitude, até cerca de 30 km, são registradas por radiossondas presas a balões. As estações que fazem esse tipo de medida chamam-se de ar superior (ou aerológicas); existem cerca de 1.300 delas no globo, segundo a OMM.

Fig. 7-8 Localização das estações meteorológicas de ar superior pertencentes à rede da OMM (WMO, 2011)

A radiossonda foi inventada em 1928, quase ao mesmo tempo, por Väisälä (Finlândia) e Molchanov (União Soviética). É um pequeno transmissor de rádio com sensores de temperatura, umidade relativa e pressão, elevado na atmosfera por um balão de borracha cheio de gás hélio. O deslocamento da sonda é acompanhado por uma antena GPS ou por radar, o que permite calcular a direção e a velocidade do vento; as medidas são enviadas por rádio a uma estação receptora em superfície.

Fig. 7-9 Exemplo do lançamento de uma radiossonda: na mão esquerda, o balão meteorológico; na direita, a radiossonda (Ucar, s.d.)

Cerca de dois terços dessas estações observam a 00 e 12 UTC, e entre 100 e 200 fazem uma só medida por dia. A velocidade de ascensão da radiossonda é de aproximadamente 300 m/min; por isso a sondagem costuma começar uma hora antes do horário sinótico — é o tempo que o balão leva para subir do nível do mar até 100 hPa (≈16 km). Nos oceanos, cerca de 15 navios fazem esse tipo de observação, sobretudo no Atlântico Norte. O Brasil tem uma rede de aproximadamente 40 estações de ar superior, repartida entre Inmet, Departamento de Controle do Espaço Aéreo (Decea) e Centro de Hidrografia da Marinha (CHM).

Fig. 7-10 Locais onde são realizadas as observações de ar superior no Brasil (adaptado de Inmet, s.d.)

2.3 Observações marítimas

Sobre os oceanos, além dos satélites, medem as condições do mar e da atmosfera adjacente os navios instrumentados, as boias de fundeio (ancoradas), as boias de deriva e as plataformas estacionárias. As grandezas medidas incluem temperatura da superfície do mar, altura e período das ondas e salinidade (do oceano) e pressão, temperatura do ar e direção e intensidade do vento (da atmosfera). Segundo a OMM, cerca de quatro mil navios fazem observações, e mil deles as realizam diariamente.

Fig. 7-11 Boias de (A, B) deriva e (C, D) fundeio

Fig. 7-12 Locais onde são realizadas observações oceanográficas e meteorológicas por navios instrumentados (WMO, 2011)

2.4 Observações por aeronaves

Cerca de três mil aeronaves instrumentadas fornecem, durante os voos, relatos de pressão, ventos e temperatura do ar, segundo a OMM. São uma fonte importante de dados em altitude, sobretudo nas rotas comerciais movimentadas.

Fig. 7-13 Rota das aeronaves que fornecem observações meteorológicas a 00 UTC (WMO, 2011)

2.5 Observações por satélites

Os satélites são plataformas onde se instalam sensores para obter imagens da superfície terrestre; uma vantagem é não precisarem de combustível para orbitar a Terra. A diferença essencial em relação às estações de superfície e de altitude é a cobertura: enquanto aquelas medem em pontos discretos, que podem distar centenas ou milhares de quilômetros, o satélite obtém informações contínuas sobre uma área extensa.

Vantagem operacional. Por cobrirem grandes áreas, as imagens de satélite revelam sistemas que muitas vezes escapam à rede de estações — como tempestades severas e tempestades tropicais sobre oceanos com poucas observações. Servem ainda para identificar luzes de cidades, queimadas, poluição, tempestades de raios e de poeira, neve e gelo e os limites das correntes oceânicas.

Os satélites são agrupados pelo tipo de órbita que descrevem ao redor da Terra, que pode ser geoestacionária ou polar.

Fig. 7-14 Exemplo de órbita geoestacionária e polar (adaptado de Inpe)

Tab. 7.1 — Satélite geoestacionário × satélite de órbita polar (Ynoue et al., 2017).
Característica	Geoestacionário (geossíncrono)	Órbita polar (heliossíncrono)
Altitude	≈ 35.800 km, sobre o equador	≈ 850 km
Sentido da órbita	Acompanha a rotação da Terra	Norte–sul, passando pelos polos ou perto deles
Período de órbita	Igual ao da rotação da Terra (24 h)	≈ 1 a 2 horas por volta
Posição relativa	Sempre "parado" sobre o mesmo ponto da Terra	Em sincronia com o Sol (heliossíncrono)

O satélite geoestacionário fica a cerca de 35.800 km acima do equador, com período de órbita igual ao da rotação da Terra; satélite e planeta se movem juntos, então ele fica sempre "parado" em relação ao mesmo ponto. O satélite de órbita polar circunda a Terra no sentido norte-sul, passando pelos polos ou perto deles, a cerca de 850 km de altitude, e completa uma volta em uma a duas horas; por terem órbita em sincronia com o Sol, são chamados heliossíncronos.

As imagens trazem informação conforme o canal. No canal vapor d'água de um satélite geoestacionário (GOES-12), quanto mais branco o tom, mais vapor d'água há na média-alta atmosfera; numa imagem do canal visível de um satélite polar (sensor MODIS, satélite Aqua), faz-se a composição colorida com as faixas verde, vermelha e azul.

Fig. 7-15 (A) Imagem do canal vapor d'água do satélite geoestacionário GOES-12 (24/01/2011, 17:50 UTC) e (B) imagem na faixa do visível do satélite polar Aqua (16:44 UTC) (CPTEC, 2011)

2.6 Outras plataformas: radar, sodar e lidar

Variáveis meteorológicas também são obtidas por radar e por sodar. O radar entrou na Meteorologia na década de 1940, quando se descobriu que as nuvens de chuva devolviam ecos de ondas de rádio na faixa de 0,4 a 0,6 GHz. Seu funcionamento parte da emissão de micro-ondas de alta frequência: quando as ondas encontram o alvo (gotículas de nuvem ou de chuva), parte da radiação é refletida de volta — o eco. A relação entre o sinal enviado e o recebido indica a intensidade da chuva que cai na região. Os radares podem ficar em plataformas fixas ou móveis.

Fig. 7-16 Radar meteorológico do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da USP (IAG/USP)

Tab. 7.2 — Princípio dos sensores de sondagem remota ativa (Ynoue et al., 2017).
Sensor	Sigla (inglês)	Onda emitida
Radar	—	Micro-ondas (rádio)
Sodar	sonic detection and ranging	Ondas acústicas (som)
Lidar	light detection and ranging	Luz / laser (visível)

O sodar e o lidar funcionam de modo parecido com o radar, mas com ondas acústicas e visíveis, respectivamente. Emitem ondas sonoras, luz ou laser na vertical; quando essas ondas encontram obstáculos na atmosfera (como nuvens), são refletidas e retornam ao equipamento, fornecendo informações meteorológicas.

3. Utilização das observações ambientais

Antes de serem usados, os dados observados passam por tratamento, porque toda medida traz incerteza — vinda das limitações (ou erros) dos instrumentos e também do processamento e da transmissão dos dados.

3.1 Controle de qualidade

Qualquer dado, antes de ser utilizado, passa por um controle de qualidade que identifica erros grosseiros e dados faltantes. Um erro grosseiro é um valor que a variável nunca poderia assumir — por exemplo, 60 °C para a temperatura média do ar em São Paulo.

Para séries temporais (várias observações num mesmo lugar ao longo do tempo), Peixoto e Oort (1992) sugerem excluir os dados que ficam fora do intervalo:

[\;\overline{x} - 4\,\sigma(x)\;,\;\; \overline{x} + 4\,\sigma(x)\;]

em que $\overline{x}$ é a média da série e $\sigma(x)$ é o desvio-padrão, ambos calculados no período de interesse. Valores além de quatro desvios-padrão em torno da média são tratados como erros grosseiros.

3.2 Interpolação e assimilação de dados

As estações estão distribuídas de forma irregular pela superfície do globo: regiões como a Europa têm muitas; outras, como a África, têm poucas. Para melhorar a representação espacial das informações meteorológicas e oceanográficas, os dados observados podem ser interpolados para uma grade horizontal regular — pontos com espaçamento uniforme, por exemplo a cada 2,5° de latitude e longitude.

Assimilação de dados. Existem técnicas que juntam dados de várias fontes (estações, satélites, navios, radiossondas) e os distribuem em grades regulares. Esse conjunto de técnicas chama-se assimilação de dados. Os dados em grade regular são valiosos por dois motivos: ao serem representados graficamente, fornecem uma "fotografia" da atmosfera ou do oceano num dado horário; e servem de entrada e condições de fronteira para os modelos numéricos de previsão de tempo e clima.

Fig. 7-17 Pressão ao nível médio do mar (NMM) no dia 21 de janeiro de 2011, a 00 UTC (em hPa) (fonte dos dados: NOAA, s.d.)

Mais detalhes sobre como esses dados entram nos modelos de tempo e clima, como condições iniciais e de fronteira, são tratados no capítulo de previsão (Cap. 12 do livro).