O que é Meteorologia

Campus de Florianópolis
Departamento Acadêmico de Saúde e Serviços
Curso Técnico de Meteorologia
Módulo 3: Sistema de Informação Meteorológica
Eixo Temático: Aplicativos Computacionais para
Meteorologia
Semestre: 2010/2
Sigla: ACM
VISÃO GERAL DOS APLICATIVOS PARA METEOROLOGIA
ACM01
Professor Orientador: Mário Quadro e Ruy de Sá
Elaboração: Carlos Salles e Mário Quadro
Aplicativos Computacionais – Visão Geral
Introdução
O desenvolvimento tecnológico em diferentes áreas como a computação, eletrônica e
telecomunicações, tem possibilitado avanços sem precedentes nas Ciências da Terra e
em especial na Meteorologia nas últimas décadas.
O advento dos satélites artificiais, dos radares meteorológicos e de novos tipos sensores,
assim como o aprimoramento dos modelos computacional de previsão de tempo e clima,
permitiu um salto no conhecimento dos processos da hidrosfera e na confiabilidade,
rapidez e acurácia das previsões.
Como conseqüência deste progresso, houve um aumento exponencial na complexidade e
no volume dos dados gerados e que precisam ser processados, analisados, divulgados
em tempo hábil e armazenados de forma adequada.
Os aplicativos computacionais tornaram-se ferramentas essenciais e imprescindíveis,
permitindo que este imenso volume de dados possa ser traduzido de forma efetiva em
informações úteis que contribuam para o sucesso das previsões e para o avanço do
conhecimento.
Adicionalmente, a natureza dos novos tipos de dados, como as imagens de satélite e de
radar, exige o constante desenvolvimento de novas técnicas de processamento, análise e
visualização, que permitam a integração espaço-temporal dos dados e a divulgação da
informação de forma clara e objetiva.
Atendendo em menor ou maior grau a estes objetivos, os aplicativos computacionais são
atualmente utilizados em Meteorologia para diferentes aplicações como o ensino; a
pesquisa e o desenvolvimento; as análises operacionais de tempo; e as avaliações e
previsões climáticas.
Funcionalidades
As principais funcionalidades destes aplicativos são a manipulação, análise e visualização
de dados e informações meteorológicas de diferentes tipos e formatos.
Os aplicativos podem ser executados localmente na máquina do usuário ou acessados e
executados de forma remota através de redes. Podem ainda atuar de forma isolada ou
compartilhar informações com outros aplicativos (exemplo: bancos de dados) e usuários.
Neste contexto, a interatividade e a troca de informações em tempo real entre usuários
possibilita a realização de conferências e seminários remotos.
Manipulação de Dados
A manipulação de dados meteorológicos inclui uma série de aplicações e usos que
podem ser agrupados em três categorias principais:
•
•
•
Leitura, gravação de dados e conversão de formatos.
Recortes e seleção espaço-temporal de dados.
Transformação entre tipos de dados.
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Leitura, gravação e conversão.
Os aplicativos computacionais devem ser capazes de ler, gravar e converter os dados
(importação e exportação) nos principais formatos de arquivo utilizados na meteorologia,
como o GRIB, NetCDF e HDF.
O formato GRIB (GRIdded Binary) é o formato padrão da Organização Meteorológica
Mundial (WMO) para arquivar e extrair dados em grade. O GRIB é um formato binário e
os dados são compactados para aumentar a eficiência do armazenamento. Os dados
GRIB são auto-descritivos, o que significa que a informação necessária para ler o arquivo
está presente no próprio arquivo.
O formato NetCDF (Network Common Data Form) é uma interface para acessar dados
científicos e uma biblioteca que fornece a implementação desta interface. O NetCDF é
amplamente utilizado pela comunidade meteorológica como uma padronização para a
representação de informações. Os dados NetCDF são portáteis e auto-descritivos e
podem ser acessados de forma direta, o que significa que um pequeno subconjunto de
uma grande base de dados pode ser acessada eficientemente, sem a necessidade de ler
todo o conjunto anteriormente.
O HDF (Hierarchical Data Format) é um formato orientado para o intercâmbio de dados
científicos em ambientes distribuídos. Em 1993 a NASA escolheu o formato HDF como
formato padrão para o armazenamento de dados do Sistema de Observação da Terra
(EOS). O EOS é um sistema que reúne dados de sensores (principalmente satélites) para
suportar o Programa de Pesquisas em Mudanças Globais. O HDF armazena diversos
tipos de objetos: imagens, tabelas, paletas e estruturas multidimensionais.
Dados da reanálise do modelo do NCEP (National Centre for Environmental Prediction)
(antigo NMC) no período de janeiro do 1948 até a presente data estão disponíveis no sitio
www.cdc.noaa.gov/ncep_reanalysis. Dados basicamente são extraídos a partir da
simulação numérica de um modelo global espectral com resolução T62
(aproximadamente 209 km) com 28 níveis na vertical. Este é o mesmo modelo usado no
sistema de assimilação do modelo operacional do NCEP, implementado desde dezembro
de 1994.
Recortes e seleção espaço-temporal de dados.
Quando se trabalha com bases de dados extensas ou dados espaciais que ocupam
grandes áreas da superfície terrestre é comum se utilizar recortes para a seleção de
subáreas ou períodos de interesse.
Os aplicativos computacionais utilizados em meteorologia devem ser capazes de realizar
estes recortes de forma eficiente otimizando e limitando as análises e visualizações.
Os recortes espaciais, realizados sobre dados em grade ou imagens, devem ser capazes
de selecionar sub-volumes, subáreas, perfis de interesse (linhas) ou pontos. Os recortes
de subáreas podem ser regulares (do tipo caixa ou retangular) ou irregulares (contornos
políticos, limites de bacias hidrográficas, etc...).
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Os recortes temporais são utilizados para a análise e visualização de séries temporais de
variáveis como temperatura, pressão e umidade. Estes recortes podem compreender
períodos contíguos (exemplo: dados diários de temperatura para todo o ano de 2000) ou
intermitentes (exemplo: dados diários de pressão para todos os janeiros de 1981 a 1991).
Existe ainda a possibilidade de se efetuar recortes espaço temporais para a extração de
dados em grade, linha ou pontos para determinados períodos. Exemplos: recortar todos
os dados diários de temperatura e pressão do ano de 1997 para o Estado de Santa
Catarina; recortar dados mensais de temperatura em superfície para o ano de 2001 ao
longo do eixo da rodovia BR-101; recortar dados horários de vento em ponto de grade
para as cidades de Florianópolis e Chapecó no mês de fevereiro de 2002.
Tipos de dados e transformações.
Os tipos de dados podem ser classificados em relação à natureza das grandezas ou ao
tipo de armazenamento e exibição. Quanto às grandezas, podem ser escalares
(intensidade) ou vetoriais (módulo e direção). Quanto ao armazenamento e representação
podem ser matriciais ou vetoriais.
Como exemplo, considere os dados de um campo de vento, que apesar da natureza
vetorial, podem ser armazenados na forma matricial e representados graficamente de
forma vetorial em coordenadas polares.
A diferença fundamental entre os tipos matricial e vetorial está na definição do domínio e
na representação gráfica. Os dados vetoriais são em geral mais compactos que os
matriciais, entretanto as operações realizadas com dados vetoriais são mais complexas e
demoradas do que operações matriciais.
Os dados matriciais compreendem, as grades regulares, as imagens e as estruturas
multidimensionais. As grades regulares possuem dimensão de ordem dois (x,y), as
imagens têm ordem dois ou três (x,y,var) e as estruturas multidimensionais podem ter
ordem variando de três a cinco (x,y,z,t,var).
Os dados vetoriais compreendem as grades irregulares, os polígonos, linhas e pontos. Os
polígonos são linhas fechadas, onde o ponto inicial é igual ao ponto final. As linhas são
conjuntos de pontos onde a variável possui o mesmo valor (isolinhas) ou pares de pontos
que representam a intensidade e direção da variável, e o ponto é representado no
espaço, bi ou tridimensional. Os dados vetoriais podem ser representados nos sistemas
de referência cartesiano ou polar.
As grades irregulares são conjuntos de pontos valorados irregularmente espaçados no
espaço 2D ou 3D, e conectados aos pares por vetores que indicam a intensidade e
direção de variação das grandezas. Estas conexões entre os pontos são normalmente
realizadas através de triangulações de Delaunay.
Existem diversas transformações possíveis entre os tipos de dados. Dados matriciais
podem ser transformados em vetoriais e vice-versa, e dentro de um mesmo tipo, pode-se
realizar transformações que alterem as características espaços-temporais dos dados. As
transformações são úteis para preparar os dados para análise, armazenamento e
visualização. Segue, abaixo, alguns exemplos de transformação:
vetorial → vetorial: simplificação cartográfica;
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vetorial → matricial: grades irregulares → grades regulares;
matricial → vetorial campo de temperaturas → isotermas;
matricial → matricial: armazenamento de dados (grade) em estruturas multidimensionais
Análises
São o conjunto de operações matemáticas realizadas no domínio do espaço tempo e que
tem como objetivo final preparar ou gerar dados para visualização ou armazenamento em
banco de dados.
As operações básicas são algébricas e estatísticas e podem ser aplicadas isoladamente
ou combinadas para uma série de objetivos como a construção de filtros, interpolação de
dados, modelagem de dados, transformações de sistemas de referência e etc...
As operações algébricas fundamentais são a soma, multiplicação, potenciação,
integração e operações inversas. A partir destes operadores fundamentais, outros mais
complexos podem ser definidos.
As operações estatísticas têm como objetivo básico caracterizar conjuntos de dados
similares e possibilitar comparações entre diferentes conjuntos. Para isto, são calculadas
as medidas de tendência central (ex: média, moda, mediana) e de dispersão (ex: desvio
padrão e variância).
A figura 1 mostra exemplos das informações brutas (Fig 1a), representados pelos dados
sinóticos de superfície e os dados analisados pelo modelo global do CPTEC/COLA (Fig
1b).
Visualizações
O modo como os dados são exibidos ao usuário final de um produto meteorológico é de
fundamental importância para a correta interpretação dos mesmos e a extração de
informações úteis.
Conforme descrito anteriormente, podemos representar os dados na forma matricial
(campos), vetorial (polígonos, linhas e pontos), ou utilizando uma combinação de ambos
os tipos.
Existem diversas formas de se trabalhar a visualização do dado meteorológico, através da
alteração de cores, padrões, texturas, transparências de uma determinada figura. Além
disso, a representação gráfica das figuras pode ser em forma de mapas, tabelas, gráficos
e animações (seqüência de processos).
Alguns aplicativos meteorológicos são capazes de realizar integração de dados, além de
uma grande interatividade com o usuário do software, através da rotação, translação,
afastamentos e aproximações e cortes na figura. A seguir são apresentados alguns
destes aplicativos mais utilizados em meteorologia.
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Figura 1 – Exemplo de dados meteorológicos plotados em uma carta de superfície (a) e
do campo de pressão analisado pelo modelo Regional ETA do CPTEC
APLICATIVOS
Existe atualmente uma ampla variedade de aplicativos computacionais utilizados em
Meteorologia. Alguns foram especificamente desenvolvidos para auxiliar a análise,
interpretação e visualização de dados geofísicos, enquanto outros são também aplicados
a outras áreas do conhecimento como a medicina e projetos industriais.
Nesta apostila, são exemplificados, de forma sucinta, apenas alguns dos aplicativos e
suas funcionalidades básicas, com indicação das plataformas e sistemas operacionais
utilizados.
Advanced Visual Systems (AVS)
Lançado em 1995, o aplicativo computacional AVS/Explorer foi selecionado por diversas
corporações, empresas, instituições acadêmicas e agências governamentais para
fornecer soluções e ferramentas para a análise e visualização de dados.
O AVS está disponível para um grande número de plataformas e sistemas operacionais
(Microsoft Windows, Mac, Compaq Digital Unix e Alpha NT; HP-UX, AIX, Solaris e IRIX;
Linux-x86), contando atualmente com aproximadamente um milhão de usuários finais em
uma grande variedade de aplicações industriais, operacionais e de pesquisa.
As implementações baseadas no AVS são utilizadas em diferentes áreas como a
medicina e pesquisa médica, engenharia, mecânica dos fluidos, análises operacionais,
ciências da Terra e manufatura industrial dentre outras. Apesar do aplicativo ser
comercial,
o
mesmo
pode
ser
“baixado”
no
endereço:
http://www.avs.com/software/soft_t/xps_download.html e utilizado gratuitamente por um
período de avaliação de dez dias.
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A figura 2 mostra um exemplo de visualização integrada de dados meteorológicos no
AVS. Os vetores em azul representam o campo de ventos sobre um modelo digital de
terreno (MDT). O MDT pode ser representado tanto com texturas quanto com intervalos
de altitude codificados a pseudocores. Nuvens e nevoeiros são representados com
variações de volume, forma, transparência e textura. A funcionalidade do aplicativo
permite ainda a animação dos vetores de vento e a representação de múltiplos níveis.
Fig. 2 – Composição de vetores, representado dados de vento, modelo digital do terreno
e visualização das nuvens no AVS.
FERRET
Ambiente computacional de visualização e análise interativa em estações de trabalho,
desenvolvido para atender as necessidades de meteorologistas e oceanógrafos, que
precisam analisar dados complexos e em grande volume. O aplicativo funciona na maioria
dos sistemas Unix e nos sistemas Windows NT/9x que utilizam a interface gráfica de
visualização X Window.
O aplicativo pode ainda ser instalado para operar a partir de um navegador (“Web
Browser”) permitindo que qualquer usuário da rede acesse de forma transparente
extensas bases de dados remotas via Internet usando o sistema DODS (Distributed
Oceanographic Data System). O uso do DODS em conjunto com o Ferret cria uma
poderosa ferramenta para recuperação, amostragem, análise e visualização de bases de
dados, permitindo a troca de informações meteorológicas, oceanográficas e
climatológicas através da Internet.
O Ferret foi desenvolvido pelo Projeto de Modelagem e Análise Termal (TMAP) do
Laboratório Ambiental Marinho do Pacífico (PMEL) para analisar as saídas dos modelos
numéricos oceânicos e compará-las com dados observacionais. As ferramentas de
análise são bastante flexíveis, possibilitando a definição interativa de novas variáveis do
tipo expressões matemáticas que envolvem variáveis primárias do conjunto de dados. Os
cálculos podem ser aplicados sobre regiões de formas arbitrárias e gráficos completos
são produzidos com apenas um único comando (Figura 3).
Informações mais detalhadas sobre as funcionalidades do Ferret podem ser obtidas no
endereço: http://ferret.wrc.noaa.gov/Ferret/.
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Fig 3 – Exemplo de figura gerada no Ferret a partir de dados climatológicos utilizando a
projeção sinusoidal.
SURFER
O Surfer é um programa da Golden Software elaborado para sistemas operacionais
Microsoft Windows. Sua característica proeminente consiste em criar superfícies de três
dimensões a partir de dados tabulares e vetoriais devidamente tratados. O software tem
o potencial para elaborar diversos tipos de produtos, além de mapas de contorno, que
retratam em duas dimensões o objeto; mapas em três dimensões Wireframe, que
fornecem uma exposição tridimensional dos dados, porém sem um preenchimento
textural; mapas de vetores, que representam o sentido e o valor dos dados em pontos de
um mapa; mapas de imagem, que usam diferentes graduações de cores para representar
as linhas de elevação; mapas sombreados de relevo, que permitem a visualizar as
orientações das vertentes, a partir de um valor azimutal sobre uma fonte luminosa e
mapas base, que são criados a partir de arquivos independes vetoriais, provenientes de
softwares do tipo CAD e expressa através de diversas camadas o objeto de
representação visado.
O Surfer roda em plataformas windows 95/98/NT/2000/ME/XP, necessita de 21 MB de
espaço livre em disco, mínimo de 12MB de memória RAM, e um monitor com resolução
mínima de 800 x 600 pixeis. A figura 4 apresenta um exemplo de um mapa em três
dimensões elaborado pelo Surfer.
Figura 4 - Exemplo de figura gerada no Surfer em 3 dimensões.
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GRADS
O Grid Analisys and Display System (GrADS) é uma ferramenta interativa que está
atualmente em uso global para a análise e exibição de dados de ciência da Terra. Este
sistema fornece um ambiente integrado para acesso, manipulação e exibição de dados de
ciência da Terra. O GrADS trabalha com modelos de dados em 4 dimensões,
normalmente latitude, longitude, nível e tempo. Cada conjunto de dados está localizado
dentro de um espaço de 4 dimensões através do uso de um arquivo descritor de dados.
Os dados podem ser descritos em pontos de grade (que podem ser não-linearmente
espaçados - grades do tipo Gaussiana e grades de modelagem numérica de resolução
variável) ou de estação. A representação interna de um arquivo de dados pode ser binário
ou GRIB, NetCDF, or HDF-SDS (Scientific Data Sets). O GrADS tem sido utilizado em
diversas plataformas computacionais e sistemas operacionais (Windows, linux, SUN, SGI,
IBM, entre outros).
Os dados podem ser representados em uma série de formas gráficas, tais como: gráficos
de linha e de barra, contornos e sombreados, linhas de corrente, vetores e dados em
pontos de estação.
A linguagem de script do GrADS pode ser escrita para desempenhar uma variedade de
funções, tal como permitir a um usuário de apontar e pressiona na tela para alguma coisa
selecionada, para animar quaisquer quantidades desejadas, para anotar desenhos com
informação obtida dos comandos de pergunta do GrADS.
Informações mais detalhadas sobre o software GrADS, assim como suas aplicações,
podem ser obtidas no endereço: http://grads.iges.org. Um tutorial e um exemplo de dados
estão disponíveis nos sites de distribuição (ftp://grads.iges.org/example.tar e
ftp://sprite.llnl.gov/pub/fiorino/grads/exemple).
MATLAB
Uma linguagem técnica de programação de alto nível desenvolvida pela empresa
Mathworks que combina computação numérica, desenvolvimento de algoritmos e análise
de dados com a construção de gráficos 2D e 3D, animações e visualizações avançados.
Os gráficos podem ser construídos de forma interativa a partir da integração de diferentes
conjuntos de dados. As visualizações também podem ser interativas, permitindo que se
navegue pela figura com rotações, translações (pan) e aproximações ou afastamentos
(zoom).
O Matlab possui ainda funções para integrar seus algoritmos com aplicações externas
( ex: bancos de dados) e outras linguagens de programação (ex: Fortran, C++, Java).
Além das funcionalidades oferecidas pela linguagem, possui uma extensa lista de
ferramentas adicionais, desenvolvidas e disponibilizadas pela própria empresa Mathworks
e por terceiros na forma de pacotes com rotinas computacionais para a manipulação,
análise e visualização de dados e informações meteorológicas.
Entre estes pacotes adicionais, conhecidos como “toolboxes” ou caixas de ferramentas,
pode-se destacar os de leitura e gravação para os formatos GRIB, HDF e NetCDF; os de
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análise, como o de estatística e o interação oceano-atmosfera; e os de visualização, como
o de mapeamento geográfico.
O Matlab encontra-se disponível para os sistemas operacionais Windows e Linux. Maiores
informações podem ser obtidas no endereço: http://www.mathworks.com.
McIDAS
O McIDAS (Man computer Interactive Data Access System) é um conjunto de aplicações
para a análise e visualização de dados meteorológicos em pesquisa e educação. O
aplicativo pode se utilizado com dados observacionais convencionais, de satélite (Figura
5), em grade e pontuais.
O aplicativo está disponível para estações de trabalho e computadores pessoais que
possuam o sistema gráfico X Window e que sejam baseados em sistemas operacionais
do tipo Unix (ou Linux). Maiores informações podem ser obtidas no endereço:
http://www.unidata.ucar.edu/packages/mcidas/index.html.
Fig 5 – Imagem McIDAS de composição global de dados do infravermelho do satélite
GOES ( projeção Mollweide)
Vis5D+
Desenvolvido pelo Centro de Ciências Espaciais e Engenharia da Universidade
Wisconsin-Madison (SSEC) para a visualização interativa em até cinco dimensões de
dados em grade, como os produzidos pelos modelos numéricos de previsão de tempo.
A partir de dados tridimensionais em grade, o aplicativo permite a construção de figuras
de iso-superfícies, linhas de contorno, fatiamentos a pseudocores de classes ou intervalos
de valores, renderização de volumes (Figura 6), entre outros. Existem ainda funções para
traçar a trajetória do vento, fazer anotações de texto e suportar a análise interativa de
dados.
O aplicativo Vis5D+ é gratuito e o código fonte, assim como alguns arquivos de mapas,
topografia e dados estão disponíveis para transferência via FTP anônimo através do
seguinte endereço: www.ssec.wisc.edu/pub/vis5d. O aplicativo pode ser compilado para
uma grande variedade de estações de trabalho (HP, DEC Alpha, SUN, IBM RS/6000,
Silicon Graphics) e para computadores pessoais baseados em processadores Intel que
operem os seguintes sistemas: Linux, OS/2 e Windows NT. Uma versão executável précompilada está disponível para o sistema Linux.
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Maiores informações sobre este aplicativo
http://www.ssec.wisc.edu/~billh/cup2.tif .
podem
ser
obtidas
no
endereço:
Figura 6 – Exemplo de renderização volumétrica da velocidade do vento sobre os EUA.
Digital Atmosphere
O Digital Atmosphere é um software de visualização de análise e previsão meteorológica.
Através deste software é possível criar mapas detalhados, em tempo real, para
qualquer parte de globo (Figura 7). Em conjunto, foram desenvolvidas uma série de
técnicas de decodificação e visualização comparáveis às do NWS (National Weather
Service), que é o Centro de Previsão de Tempo dos Estados Unidos. Pode ser
rodado em um microcomputador Pentium 486 (ou maior), e possui licença de uso
livre por 30 dias, acessando os dados meteorológicos através da internet.
Figura 7 – Exemplo de figuras elaboradas pelo Digital Atmosphere.
Ventos superficiais / NOAA
Acesso direto pelo endereço: http://manati.orbit.nesdis.noaa.gov/quikscat/ a dados diários
de vento a dez metros sobre o oceano obtidos a partir do processamento de dados do
radar escaterômetro que voa a bordo do satélite QuikSCAT.
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O endereço acima permite acesso à informação em modo gráfico do vento calculado para
as passagens ascendentes e descendentes do satélite. Clicando diretamente sobre as
figuras, pode-se obter um detalhamento para a área de interesse.
Embora não sejam estritamente operacionais, as informações oferecidas possuem
normalmente uma atualização bastante freqüente. A figura 8 foi acessada dia 13 de
outubro de 2004 às 5:45 UT.
(a)
(b)
Fig 8 – Composição global de vento das passagens descendentes do satélite QuikSCAT
(a) e detalhamento do vento obtido pelo satélite QuikSCAT para a costa sulsudeste do Brasil (b).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DIGITAL ATMOSPHERE. Disponível em: http://www.weathergraphics.com/da/. Acesso
em 8 de novembro de 2004.
GrADS. Disponível em: http://grads.iges.org. Acesso em 8 de novembro de 2004.
MATLAB. Disponível em http://www.mathworks.com. Acesso em 8 de novembro de 2004.
QUICKSCAT. Disponível em: http://manati.orbit.nesdis.noaa.gov/quikscat/. Acesso em 13
de outubro de 2004.
SUFER. Disponível em: http://www.uem.br/dge/geonotas/vol8-2/hiran.shtml Acesso em:
13 de outubro de 2004.
VIANELLO, R. Leite e ALVES, A. R. Meteorologia Básica. Viçosa: UFV, 2000.
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