COMPARAÇÃO DA PROFUNDIDADE ÓPTICA DO AEROSSOL EM SÃO PAULO
OBTIDA POR DISTINTAS PLATAFORMAS
Márcia Akemi Yamasoe 1 , Nilton M. Évora do Rosário1, André Cozza Sayão1, Ricardo Almeida de
Siqueira1, Charles Ichoku 2 , Paulo Artaxo 3
RESUMO
Neste trabalho são comparados valores de profundidade óptica do aerossol obtidos no canal de
670 nm em duas localidades da cidade de São Paulo distantes aproximadamente 15,5 km uma da
outra, Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF), Cidade Universitária, e Estação
Meteorológica do Departamento de Ciências Atmosféricas do Instituto de Astronomia, Geofísica e
Ciências Atmosféricas (EM), Água Funda, de 2000 a 2003. As medições de grandezas
radiométricas foram realizadas com o auxílio de um radiômetro Cimel da AERONET (Aerosol
Robotic Network), um radiômetro tipo MFRSR (Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer) e
do sensor MODIS (Moderate resolution Imaging Spectrometer) a bordo dos satélites Terra e Aqua.
Os resultados mostram que os valores de profundidade óptica derivados pelo algoritmo operacional
do MODIS estão subestimados quando comparados aos resultados obtidos com os instrumentos em
superfície.
ABSTRACT
Aerosol optical depth (AOD) at 670 nm is compared at two locations in São Paulo city,
Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF), Cidade Universitária, and Estação
Meteorológica (EM), Água Funda, apart about 15.5km from 2000 to 2003. At IF, measurements
were performed with a Cimel automatic sun/sky radiometer from AERONET (Aerosol Robotic
Network) and at AF, measurements were performed with a MFRSR (Multi-Filter Rotating
Shadowband Radiometer). Surface retrievals of AOD were compared with results from MODIS
(Moderate resolution Imaging Spectrometer) onboard Terra and Aqua satellites, operational
algorithm, collection 4. MODIS retrieved AOD are systematically lower than surface values.
Palavras-chave: Sensoriamento remoto, profundidade óptica do aerossol, radiometria
1
Departamento de Ciências Atmosféricas do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade
de São Paulo, Rua do Matão, 1226 – São Paulo, SP, 05508-090, fone: 55-11-3091-4682, fax: 55-11-3091-4714, e-mail:
[email protected]
2
ESSIC/UMD - Climate & Radiation Branch, Code 613.2, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771,
USA, fone: 1-301-614-6212, fax:1-301-614-6307 or +1-301-614-6420, e-mail: [email protected]
3
Departamento de Física Aplicada do Instituto de Física, Universidade de São Paulo, Rua do Matão, Travessa R, 187 –
São Paulo, SP, 05508-090, fone: 55-11-3091-7016, e-mail: [email protected]
INTRODUÇÃO
As partículas de aerossol desempenham importante papel sobre a meteorologia e o clima por
interagirem direta e indiretamente com a radiação solar. Interagindo diretamente, as partículas
reduzem a quantidade de radiação disponível em superfície através da absorção e do espalhamento
de radiação solar. Por atuarem como núcleos de condensação de nuvens, elas podem alterar as
propriedades microfísicas das nuvens e, por conseguinte, seu albedo e seu tempo médio de
permanência na atmosfera, o que pode afetar também o ciclo hidrológico (Twomey, 1977, Kaufman
and Nakajima, 1993, Kaufman and Fraser, 1997, Andreae et al., 2004). A absorção de radiação
solar pode alterar o perfil termodinâmico da atmosfera, tornando-a mais estável com conseqüências
para os fluxos turbulentos de calor latente e sensível, podendo inibir a formação de nuvens (Hansen
et al., 1997, Koren et al., 2004). Para que os efeitos das partículas de aerossol possam ser
quantificados de forma precisa, é importante o conhecimento de suas propriedades ópticas, dentre
elas a profundidade óptica. Este trabalho se propõe a avaliar a profundidade óptica do aerossol
obtida (AOD) com o algoritmo operacional do MODIS (Moderate resolution Imaging
Spectrometer) com resolução espacial de 10 km para São Paulo, coleção 4. Para tanto, são
comparados os resultados derivados via satélite com os obtidos a partir de radiômetros em
superfície, seguindo a metodologia de Ichoku et al. (2005). Os autores consideraram vários sítios ao
redor do globo nos quais há um radiômetro da rede AERONET (Aerosol Robotic Network) (Holben
et al., 1998) com o intuito de avaliar a qualidade da AOD gerada globalmente a partir do MODIS.
No caso deste trabalho, pretende-se analisar o comportamento dessa variável especificamente sobre
a cidade de São Paulo.
MATERIAIS E MÉTODOS
As medições em superfície foram realizadas no Instituto de Física da Universidade de São
Paulo, Cidade Universitária (IF; -23° 33’ 43”, -46° 44’ 08”) e na Estação Meteorológica do
Departamento de Ciências Atmosféricas do Instituto de Astronomia, Geofisica e Ciências
Atmosféricas da Universidade de São Paulo, Água Funda (EM; -23° 39’ 03”, -46° 37’ 03”). No IF,
com o auxílio de um radiômetro automático da Cimel pertencente à rede AERONET e na EM com
o auxílio de um Multi-filter rotating shadowband radiometer (MFRSR) (Harrison et al., 1994). Os
dois radiômetros permitem a obtenção da profundidade óptica do aerossol em 670 nm. De acordo
com Rosário (2006), quando os dois instrumentos operaram simultaneamente numa mesma
localidade, observou-se uma diferença sistemática de aproximadamente 0,03 na profundidade óptica
do aerossol, sendo os resultados do MFRSR sempre maiores do que os da AERONET. No caso do
sensor MODIS, a profundidade óptica do aerossol analisada foi a derivada no canal de 660 nm
utilizando o algoritmo operacional correspondente à Coleção 4 (Remer et al., 2005).
Resumidamente, sobre o continente, é necessário subtrair da medida realizada pelo sensor, a
contribuição da reflexão de radiação pela superfície. Na Coleção 4, é utilizada uma relação linear
entre a refletância no canal de 2,1 µm, ρs(2,1µm), (que por hipótese não teria influência do aerossol,
devido à granulometria predominante deste, consistindo basicamente por partículas menores que
2,5µm de tamanho) e a refletância no visível: para o azul, ρs(0,44µm)=0,25 ρs(2,1µm), e para o
vermelho, ρs(0,67µm)= 0,5 ρs(2,1µm).
Seguindo a metodologia de Ichoku et al. (2005), médias de AOD em um raio de 50 km ao
redor das localidades geográficas do IF e EM foram determinadas para os resultados do MODIS, ao
passo que para os radiômetros em superfície foram consideradas médias de AOD 30 minutos antes
e 30 minutos após as passagens dos satélites. De acordo com Correia e Pires (2006), essas foram as
dimensões espaciais e temporal que resultaram em melhor correlação entre as comparações entre os
resultados do MODIS, a partir do algoritmo da Coleção 4, atualmente instalado no CPTEC (Centro
de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos) e da AERONET, com uma variação no procedimento
de limpeza de nuvens (Pires et al., 2006), considerando várias localidades da América do Sul.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 mostra o resultado da comparação entre a AOD obtida pelo MODIS e obtida por
radiômetros em superfície. Em ambas as localidades observa-se que a AOD gerada pelo algoritmo
operacional do MODIS é subestimada quando comparada com os valores obtidos pelos
radiômetros, em particular em situações de altos valores de AOD. Estes resultados corroboram o
observado por Castanho (2005) que utilizou uma base de dados menor em seu estudo. Por esse
motivo, a autora desenvolveu um modelo óptico dinâmico para o aerossol de São Paulo a partir dos
resultados da AERONET e propôs um novo algoritmo para o MODIS com resolução espacial de
1km x 1km. Sayão et al. (2006) compararam valores instantâneos e diários de AOD para o ano de
2002 obtidos pelos dois radiômetros e observaram que a variabilidade espacial da profundidade
óptica do aerossol em São Paulo pode ser significativa, o que pode inviabilizar os resultados do
algoritmo operacional (de 10km x 10km) do MODIS para esta localidade.
0.5
0.6
Terra
Aqua
0.3
0.2
0.4
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
AOD (670 nm) - MFRSR
(a)
0.4
0.5
Terra
Aqua
0.3
0.1
0
y = 0.70x + 0.04
R = 0.56 - np =148
0.5
0.4
AOD (660 nm) - MODIS
AOD (660 nm) - MODIS
y = 0.58x + 0.01
R =0.58 - np = 107
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
AOD (670 nm) - AERONET
(b)
Figura 1 – Comparação entre médias de profundidade óptica do aerossol (AOD) em 660 nm obtidas
para uma região de 50kmx50km centralizado na posição geográfica de instalação dos radiômetros
em superfície e de médias horárias de AOD em 670 nm centralizadas no horário de passagem dos
satélites a) para o MFRSR instalado na Estação Meteorológica (-23° 39’ 03”, -46° 37’ 03”) e b)
para o Cimel da AERONET instalado no Instituto de Física (-23° 33’ 43”, -46° 44’ 08”); np indica
o número total de pontos utilizados para obter os coeficientes do ajuste linear; a linha vermelha
indica a reta 1:1 e as linhas pontilhadas negras indicam a estimativa de incerteza do algoritmo do
MODIS.
Dando continuidade ao trabalho iniciado por Castanho, outros esforços estão em andamento
para identificar possíveis fontes de erros associados ao algoritmo operacional, como a relação entre
as refletâncias de superfície (Siqueira e Yamasoe, 2006). Como um exemplo, é apresentado na
Figura 2, um mapa da refletância em 2,1µm medida pelo MODIS a bordo do satélite Terra no dia
31 de julho de 2002. Apesar de não ter sido aplicada a correção atmosférica, observa-se na figura a
alta variabilidade da refletância de superfície num raio de 10 km ao redor dos locais de instalação
dos radiômetros.
Figura 2 – Refletância medida pelo sensor MODIS em 2,1µm no dia 31 de julho de 2001. Os
círculos delimitam uma região de 10km ao redor dos locais de instalação dos radiômetros de
superfície.
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS
Comparações entre valores médios da profundidade óptica do aerossol obtida a partir do
algoritmo operacional do MODIS numa área de 50km x 50km centrada na localização geográfica de
radiômetros em superfície e valores médios, num intervalo de uma hora ao redor do horário de
passagem dos satélites Terra e Aqua, obtidos pelos radiômetros foram realizadas em duas
localidades da cidade de São Paulo. Em ambos os casos os resultados do MODIS são subestimados.
As fontes de erro podem estar associadas à alta variabilidade espacial da profundidade óptica sobre
a cidade de São Paulo devido a diferentes fontes emissoras locais, a um modelo óptico de aerossol
inadequado para São Paulo ou por uma relação inadequada entre as refletâncias de superfície, para
corrigir o seu efeito. Todas essas hipóteses serão investigadas em parceria com pesquisadores do
CPTEC e do IFUSP.
AGRADECIMENTOS
Aos técnicos da Estação Meteorológica do Departamento de Ciências Atmosféricas do IAG-USP
pela operação e manutenção do MFRSR, B. N. Holben e equipe pela manutenção da rede
AERONET, ao CNPq (processos números 306085/2003-8 e 135433/2005-3), à FAPESP (processo
número 04/11553-1) e à CAPES.
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