389
COMPARAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO POR RADAR E PLUVIÓGRAFO
EM FUNÇÃO DO TEMPO DE INTEGRAÇÃO
Mauricio de Agostinho Antonio
Instituto de Pesquisas Meteorológicas
Fundação Educacional de Bauru
RESUMO
Nesse trabalho estão apresentados os resultados obtidos
da comparação do total de chuva estimada pelo radar de tempo de
Bauru sobre cinco pluviógrafos, com quatro diferentes intervalos
de tempo de integração, referentes aos dados registrados no perío
do janeiro-março de 1982. Considerou-se uma área de integração de radar constante de 16 km 2 sobre cada posto de registro, todos
situados na região central do Estado de são Paulo. A equação básica Z-R de conversão do fator de refletividade do radar (Z) em
intensidade de precipitação (R) utilizada foi a de Marshall-Palmer (1948). Na comparação, os valores de refletividade do radar
foram reduzidos a planos de altitude constante e, aos dados de ra
dar e pluviógrafos, foi aplicado um critério de distribuição de eventos por se dispor de poucos dados simultâneos obtidos por ambos equipamentos. Os resultados mostram que o aumento do tempo de
integração melhorou a estimativa de chuva com radar, mesmo sem usar equações Z-R corrigidas com a distância.
Outro trabalho executado foi a determinação das equações Z-R que melhor representavam os conjuntos de dados de radar
e pluviógrafos. As regressões obtidas apresentaram altos coeficientes de correlação, na maioria dos casos superiores a 0,98. Verificou-se que o valor do coeficiente A, da relação Z-R, para t~
das as estações, em média decresce com aumento do tempo de integração. O oposto ocorre com o valor do coeficiente b. A variabilidade obtida dos coeficientes A e b para as relações Z-R recomendam o uso de equações específicas para cada local e tempo de
integração.
1. INTRODUÇÃO
A utilização dos radares de tempo para estimativas de
precipitação em área com fins hidrológicos tem sido desenvolvida
com a introdução de técnicas digitais para manipulação dos dados.
Essas técnicas permitem a utilização de dados do radar em tempo
real e em "post facto", não somente para uma informação qualitativa mas também quantificando a precipitação ocorrida.
Dentre as principais variáveis que interferem na preci
são da quantificação de precipitação com radar está o tempo de
integração dos dados. Também é importante a relação Z-R utiliz~
da, ou seja, a relação empírica (ou prática) adotada que relaci~
na a energia refletida ao radar através do fator de refletividade Z e a intensidade (razão) de precipitação R.
Aqui estão apresentados os resultados obtidos em comp~
rações de precipitações quantificadas por radar e obtidas em c~~
co pluviógrafos usando-se quatro diferentes tempos de integraçao
dos dados, no período janeiro-março de 1982. A área de integra-
390
cão dos dados de radar ao redor elos pluvlógrafos foi mantida qua
constante, da ordem de 16 km .
-
se
Os dados àe radar
de Marshall-Palmer (1948) e
te sobre os pluviógrafos.
for~l
for~l
processados com a relação Z-R
coletados a uma altura constan
Com os dados obtidos j( radar (convertidos em precipitação) e dos pluviógrafos, de rada estaçào, calculou-se as relações pluviômetro/radar (P/R), det:erminando-se o valor médio para
cada intervalo de tempo àe lntegração. Os resultados mostraram
que a relação P/R dlminuiu com o aumento do tempo de integraçào
dos dados sendo que os maiores valores, para cada estação, foram
obtidos para o menor tempo. A est:ação mais distante apresentou
as maiores P/R, para todos os intervalos de tempo.
A Partir das informaçôes de refletividade de radar e de
intensidade de precipitação, para cada estação, determinou-se a
equação Z-R que melhor representava aqueles conjuntos de dados,
também para cada intervalo de tempo de integração. As regressões
executadas para obtenção dos valores dos coeficientes A e b apre
sentaram coeficientes de correlação, na maioria dos casos, supe=
riores a 0,98.
Um tratamento similar ao desenvolvido neste trabalho,
foi execu~ado por Antonio (1984b), tem sido aplicado, entretanto,
somente para o mês de fevereiro de 1982. Os resultados lá obtldos foram semelhantes àqueles ora apresentados.
2. METODOLOGIA
2.1. Dados de Radar de Tempo
O radar de tempo usado aqui está situado em Bauru, na
região central do Estado de são Paulo. Ele foi fornecido pela
Fundação de A~paro à Pesquisa do Estado de são Paulo (FAPESP) e
está instalado no Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet)
da Fundação Educacional de Bauru (FEB). Dispõe de um sistema d~
dicado de processamento de sinal, adquirido com recursos da Flnanciadora de Estudos e Projetos (FINEP). Os dados de radar sào
registrados em fita magnética. A figura 1 mostra a locallZaçàG
do radar de Bauru e sua área de atuação.
A antena do radar sofre um incremento de um grau na elevação após executar uma volta completai o ciclo, de O a 14
graus de elevação, é efetuado em aproximadamente 5 minutos.
Com a utilização de setores determinados das suceSSIvas varreduras, que estão ao redor de uma mesma altura média,
compõe-se um mapa horizontal de êltitude constante. Nesse caso,
a altitude adotada foi de 3,5 km. A tabela I apresenta as principais caracteristicas do radar de tempo instalado em Bauru.
Tabela I. Principais c&racteristicas do radar de Bauru
Modelo: EEC WR-IOO-5, Banda C
Freqüência:
5600-5650 MHz
Potência de Pico:
250 kW
PRF:
250 Hz
Largura do Pulso:
2,0 microseg
Abertura da Antena:
2 graus, cônico
Localização:
22 0 2l,5'E, 49 0 0l,6'W
391
o sistema de processamento do radar, que inclui um mini-computador PDP 11/34, está conectado (via DECNET) com um VAX
11/780, o sistema central de processamento do Projeto RADASP 11
- Meteorologia com Radar em são Paulo (Ca_heiros, 1982), onde
todo o processamento é executado. Após a determinação da área de
16 km 2 ao redor de cada estação pluviográfica com uma composição
de bins (bin = elemento de resolução quant:itativa do radar; 1,0
grau de azimute; 1,OS km em distância) foi determinada a distribuição média de refletividade do radar para cada intervalo de
tempo de integração, para cada estação. Os intervalos de tempo
foram 10, 30 e 60 minutos e 6 horas. A média em área foi feita
com valores de refletividade e depois convertida em intensidade
de precipitação (R) pela equação de Marshall-Palmer, mostrada co
mo equação 1. Um exemplo da distribuição c_os valores de refleti=
vidade de radar para a estação de Ibiting~ e todos os tempos de
integração é apresentado na figura 2. A figura 3 mostra a distri
buição dos dados de radar convertidos em R pela equação de
Marshall-Palmer para a mesma estação e tocos os intervalos de
tempo.
z
1 6
200 R '
( 1 )
(Marshall-Palmer)
2.2. Dados de Pluviógrafos
As estações pluviográficas usadas nas comparações são
da rede básica do Departamento de Águas e Energia Elétrica de
são Paulo (DAEE/SP). são pluviógrafos do tipo Hellman de sifão e
os registros são feitos em cartas diárias com marcas de tempo em
intervalos de 10 minutos.
As estações são chamadas hidrometeorológicas, situam-se nas proximidades de usinas hidroelétricas dos principais
rios da região central do Estado de são Paulo e estão localizadas dentro do intervalo de distância de 38 a 144 km do radar. A
tabela 11 apresenta a localização geográfica dessas estações e
suas posições com relação ao radar de Bauru.
Com os dados reduzidos, foi determinada a distribuição
média de intensidade de precipitação para cada estação e interv~
lo de tempo de integração. Os intervalos ce tempo considerados
foram os mesmos que aqueles dos dados de radar.
No período de análise, janeiro ê março de 1982, nos in
tervalos de tempo em que não foi feita a sravação dos dados de radar, as chuvas registradas nos pluviogramas não foram consideradas.
Tabela lI. Localização das estações pluviográficas
Nome
Bariri
Barra Bonita
Ibitinga
Salto Grande
Pradópolis
Prefixo
DS-03SM
DS-02SM
CS-llOM
D6-0S9M
C5-104M
Lat. (S)
22 0
22 0
21 0
22 0
0
06'
30'
45'
54'
21 22'
Long.
4S 0
4S 0
0
(Vi")
4S'
34'
4S 59 1
SOoOO'
0
4S 04'
Azim.
46
lOS
02
240
43
Dist. (km)
38,S
47,S
6S,6
115,0
143,3
Um exemp~o da distribuição de intensidades de precipitação para a estaçao de Ibitinga, conforme obtidas dos pluviogr~
mas, e todos os intervalos de tempo de integração está apresentado na figura 4.
392
2.3. Comparações Pluviógrafos/Radar
Por não se dispor de grande número de dados simultâneos de radar e pluviógrafos, devido ao periodo de análise de
três meses, aplicou-se aqui uma técnica estatistica que relacio
na as distribuições cumulativas em um mesmo nivel de referência
(Calheiros e Zawadzki, 1981). Dessa maneira, para um mesmo número de eventos, forma-se um par de valores obtidos das curvas de
d~stribuição, para cada estação e intervalo de tempo de integr~
çao.
Para cada série de dados de pluviógrafo (P) e de radar
(R), calculou-se a relação pluviômetro/radar (P/R) referente a
cada par ordenado e, para cada intervalo de tempo e estação, foi
determinado o valor médio das relações P/R.
Outro procedimento executado foi o de tomar pares ordenados de valores de intensidade de precipitação pluviográfica
e refletividade de radar para cada intervalo de tempo e estação
e, a partir dai, calcular as equações Z-R que melhor representavam aqueles conjuntos de dados.
3. ANÂLISE DOS RESULTADOS
Os valores médios de P/R obtidos para cada estação plu
viométrica, com uso da equacão de Marshall-Palmer (equação 1)
nos dados de radar, foram g~afados em função do intervalo de tem
po de integração e estão mostrados na figura 5.
Pode-se verificar na figura que a relação P/R decresce
com aumento do intervalo de tempo para todas as estações pluviográficas. No caso, com a equação de Marshall-Palmer, a relação
P/R é sempre maior que 1, o que significa que em todas as estações o radar subestima a precipitação coletada no pluviógrafo,
com os valores desse último suplantando em até quatro vezes aque
les de radar. Con aumento do intervalo de tempo de integração, essa subestima~iva diminuiu, reduzindo de aproximadamente um fa
tor médio de 1,5 a superestimativa relativa dos pluviógrafos en
tre os valores de P/R correspondentes aos intervalos de 10 minu
tos e 6 horas. Os valores menores de P/R ocorreram para a esta=
ção de Barra Bonita, onde passaram de 1,54 no intervalo de .10 m~
nutos para 1,32 em 6 horas. Os maiores valores de P/R foram verificados para o posto de Pradópolis, que variaram de 4,26 no
tempo de 10 minutos para 2,21 em 6 horas. Essa tendência de decréscimo já havia sido registrada por Antonio (1984a) para outras
esta2ões, intervalos de tempo e mesmo, diferentes áreas de integraçao.
Para um determinado intervalo de tempo, observou-se que
os valores da relação P/R variaram em função da distância. A pa~
tir da estação mais próxima, Bariri (38,5 km), o valor de P/R
decresceu até atingir Barra Bonita (47,8 km) e pôs-se a crescer
até a estação mais distante, Pradópolis (143,3 km), que apresentou o maior P/R. A variação da relação P/R como função da distâ~
cia para a região central do Estado de são Paulo já foi objeto
de verificações anteriores, merecendo destaques os trabalhos recentemente realizados por Antonio (1984a, 1984c) para essa mesma
região, onde foram estudadas especificamente, a dependência da
distância do valor de P/R.
A partir dos valores de intensidade de precipitação de
pluviógrafos e de refletividade de radar, determinou-se os valo-
393
res dos coeficientes A e b das relações Z-R representativas de ca
da intervalo de tempo e estação. A variação de A e b, em função
do tempo de integração, para cada estação, está apresentada na
figura 6.
Pode-se observar nessa figura que, em média, há um decréscimo do valor do coeficiente A e um acréscimo no valor de b
com aumento do intervalo de tempo de integração. Esse efeito foi
também demonstrado por Zawadzki (1984) em um trabalho teórico e
já havia sido apresentado por Antonio (1984b), que trabalhou com
o mês de fevereiro de 1982, nessa mesma região do Estado. A exceção à essa variação dos coeficiente fica por parte da estação
de Barra Bonita, onde o A aumenta ligeiramente com aumento do
tempo, com diminuição do b.
Em todas as regressões executadas para obtenção dos
coeficientes A e b das relações Z-R, observou-se altos coeficien
tes de correlação, na maioria dos casos superiores a 0,98. ParaPradópolis (143,3 km) não foi obtida correlação para o intervalo
de tempo de 10 minutos. Isso ocorreu por se dispor de poucos dados emparelhados.
As relações Z-R resultantes foram registradas em um gr~
fico intensidade de precipitação (R) versus refletividade do radar (dBz). As figuras 7.a, 7.b, 7.c e 7.d mostram as relações
Z-R para cada intervalo de tempo e estação. A equação 1, de
M~rshall-Palmer, foi também registrada para um efeito de compar~
çao.
Nas figuras 7.a, 7.b e 7.c, correspondentes respectiva
mente aos tempos de lO, 30 e 60 minutos, as relações Z-R de to-das as estações superestimaram a precipitação se comparadas com
a equação de Marshall-Palmer. Essa superestimativa se acentuou
para as altas intensidades em quase todos os casos; na estação
de Pradópolis, a superestimativa foi maior nas baixas intensidades e no caso do intervalo de 60 minutos (figura 7.c); nas altas
intensidades, a relação dessa estação passou a subestimar aquela
de Marshall-Palmer.
Na figura 7.d, correspondente ao tempo de 6 horas, nas
baixas intensidades de precipitação as relações Z-R de todas as
estações, exceto Barra Bonita, superestimaram aquela de Marshall-Palmer. Nas altas intensidades, entretanto, Barra Bonita e as
estações de Bariri e Ibitinga superestimaram aquela equação enquanto que as relaçõs de Salto Grande e Pradópolis passaram a
subestimá-la.
4. COMENTÂRIOS E CONCLUSÕES
O objetivo desse trabalho foi mostrar o comportamento
da estimativa de chuva por radar quando comparada com dados pluviométricos, em fun2ão da variação do tempo de integração, tendo
em vista a utilizaçao do equipamento para medida de chuva em área com fins hidrológicos.
Nos resultados aqui apresentados, confirmou-se a melho
ra da relação pluviômetro/radar (P/R) com aumento do intervalo de integração, mesmo para aquelas estações mais distantes. Por
outro lado, o aumento do intervalo de tempo possibilitou tomar-se um maior número de dados para cada estação o que pode mascarar um eventual erro de apontamento da antena ou da localização
do pluviógrafo com relação ao radar.
394
Dessa maneira, sempre que possível, deve-se utilizar
os dados de radar na estimativa de chuva em área com intervalos
de tempo de integração superiores a 10 minutos, conforme aqui
mostrado, embora esteja sendo considerado como "verdade terrestre" o dado pluviométrico, também sujeito a uma série de erros
na avaliação da precipitação efetivamente ocorrida.
Com relação aos parâmetros A e b das relações Z-R
determinadas especificamente para cada estação e intervalo de
tempo, pode-se verificar o decréscimo médio de A e o aumento de
b com crescimento do tempo de integração, conforme já citado no
item anterior, para a área de 16 km 2 para os dados de radar, aqui utilizada.
Assim, mesmo com aumento do intervalo de tempo, eviden
cia-se as necessidades de se determinar relações Z-R específicas
para as diferentes estações, áreas e tempos de integração dada
a grande variabilidade dos coeficientes A e b aqui encontrados.
Agradecimentos
Este trabalho foi parcialmente suportado pela Financia
dora de Estudos e Projetos - FINEP, pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de são Paulo - FAPESP e pela Fundação Educacional de Bauru - FEB.
°
autor agradece ao Departamento de Águas e Energia Elétrica do Estado de são Paulo - DAEE/SP pelo provimento das inform~ões pluviométricas.
5.
REFER~NCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
ANTONIO, M. de A. - "Considerações sobre Integração de Medidas
de Chuva por Radar". Dissert. (mestr. hidr. san.), Escola de
Engenharia de são Carlos, Universidade de são Paulo, são Carlos, 1984a, 95p.
hNTONIO, M. de A. - "Radar and Raingage Precipitation Comparison
as a Function of the Integration Time". Anais, 22a. Conf. de
Meteorologia com Radar (Zurique), Amer. Meteor. Soc., Boston,
589-593, 1984b.
ANTONIO, H. de A. - "Efeito da Distância na Estimativa de Chuva
por Radar". Anais, 111 Congr. Brasileiro de Meteorologia (B~
lo Horizonte), 1984c, 8p., (em impressão).
CALHEIROS, R.V. - "Meteorologia com Radar em são Paulo - Projeto
RADASP lI". Proposta de Pesquisa à FAPESP. IPMet/FEB, Bauru,
2 volumes, 1982 .
.
CALHEIROS, R.V. e ZAWADZKI, 1.1. - "Statiscally derived Z-R
relationship for hydrology". Anais, 20a. Conf. de Meteorologia com Radar (Boston), Amer. Meteor. Soc., Boston, 81-84,
1981.
MARSHALL,J.S. e PALMER, W.Mck. - "The distribution of raindrops with size". J.Meteorology, Amer. Meteor. Soc., Boston,
5, 165-166, Aug., 1948.
395
ZAWADZKI, 1.1. - "Factors affecting the precision of radar
measurements of rain". Anais, 22a. Conf. de Meteorologia com
Radar (Zurique), Amer. Meteor. Soe., Boston, 251-256, 1984.
Figura 1. Localização do radar de tempo de Bauru
e sua área de atuação.
IBITlNGA JAN-I'1AR 82
lD' ...........~..................................L.L..........-'-':-'..........,......-W..J'-'--'-J.4..'-:'-.wu...o...Lw.:'-.wW--'.~
o
10
15
2Il
2S
Sl
15
40
~
5C
R(FlflI V[CAlE HEZ)
Figura 2. Distribuição dos dados de refletividade de
radar (em dBz) sobre as estações de Ibitinga
para o período de janeiro a março de 1982,
com urna área de integração de 16 km 2 para os
tempos de integração de 10,30 e 60 minutos e 6 horas.
396
IBITlNGA ..R4-MAR 82 A=200.0 B= 1.60
IBITINGA JRN - MAR 1982
10'
T4
T)
i
w
~
8LD'
TI - 10 min
1.1)1
lll'
ler"
w'
T
- )0 min
2
T - 60 min
3
T - 6 horas
4
TI-IOmin
T - 30 min
2
T) - 60 min
T4 - 6 horas
T
2
ler
la'
lo'
lo'
l'Il!t U' I TRCJII (1IVHl
Figura 3. Idem figura 2, exceto
que os dados de radar
estão convertidos em
intensidade de precitação pela equação de
Marshall-Palmer (ver
texto) .
10,0
---,
~
16 km 2
ÁREA
/
1,0
Figura 4. Distribuição dos dados de precipitação
(em mm/h) de Ibitinga para o período de
janeiro a março de
1982, para os tempos
de integração de 10,
30 e 60 minutos e 6
horas.
r - - - - - -__
e
BAAtRt
+
IAlUlA 8QtirtA
6 UITl:iGA
." SALTO
~
10
CR,,\.~DE:
PRADOPOLIS
30
60
100
360
INTERVALO DE TEMPO ( min )
Figura 5. Valores médios da relação pluviômetro/radar
(P/R) obtidos para cada estação de registro
pluviométrico em função do intervalo de tem
po de integração.
397
1
t)&ARut
+ lARJlA
latilTA
6nnINCA
'f SALTO
CRANDE
~ PRIJ)(IpOLlS
0,1
10
1 ,O
30
60
100
360 10
30
60
100
360
INTERVALO DE TEMPO ( mi n )
Figura 6. Variação dos coeficientes A e b das relações
Z-R representativas de cada estação de regl~
tro pluviométrico em função do intervalo de
tempo de integração.
100,----------,;-r-"7--r----r--------rr-r7'""""';,..---,
10 minutos
30 minutos
7.b
7.a
R
( mm/h )
10
60
10
,
,,
1
10
,
,,
30
,,
/
,,
1
2
3
,,
,,
7.d
aARlRI
8A.UA SOf\lTA
UlTINCA
..
SALTO ClW\OE:
5
PRAOOPOLIS
50
10
30
50
REFLETIVIDADE (dBZ)
Figura 7. Grafagem das relações Z-R obtidas para cada
estação pluviográfica em função do intervalo
de tempo de integração. A linha tracejada re
presenta a relação de Marshall-Palmer e estã
aí registrada com efeito de comparação.