(
) Explique como se faz a medição da chuva por um radar.
Uma onda eletromagnética é emitida pelo radar e parte dessa onda colide com as gotas de água que estão caindo, e é refletida e captada pelo radar. A quantidade de energia refletida é proporcional à intensidade da chuva. A intensidade da energia refletida é comparada com dados de pluviômetros em solo e determina-se uma equação para converter energia refletida em precipitação.
Passo 1
O enunciado pede que se explique como se faz a medição da chuva por um radar. Ele já descreve a ideia básica: o radar emite uma onda eletromagnética, parte é refletida nas gotas e retorna ao radar; a energia refletida é proporcional à intensidade da chuva; compara-se com pluviômetros e determina-se uma equação de conversão. Vou organizar isso em passos didáticos, mostrando as fórmulas usadas, o que cada coisa significa e como se obtém a precipitação a partir do sinal medido.
Passo 2
Princípio físico e por que a energia refletida se relaciona com chuva.
Quando uma onda eletromagnética incide sobre gotas de chuva, cada gota espalha parte da energia de volta (retroespalhamento). Em regime de espalhamento Rayleigh (quando o comprimento de onda do radar é muito maior que o diâmetro das gotas), a intensidade do sinal retroespalhado por uma gota é proporcional a , onde
é o diâmetro da gota. Como numa nuvem/chuva há muitas gotas com diferentes tamanhos, define-se o fator de refletividade volumétrica
como
Quando uma onda eletromagnética incide sobre gotas de chuva, cada gota espalha parte da energia de volta (retroespalhamento). Em regime de espalhamento Rayleigh (quando o comprimento de onda do radar é muito maior que o diâmetro das gotas), a intensidade do sinal retroespalhado por uma gota é proporcional a
Aqui:
-
é a distribuição de tamanhos de gotas (número de gotas por unidade de volume por unidade de diâmetro), em se está em . -
tem unidade . - Logo,
tem unidades .
Interpretação física:é uma medida do “poder refletivo” do volume de chuva, dominada pelas gotas maiores (por causa do ).
Passo 3
Do sinal recebido pelo radar para o valor de
.
O radar mede a potência recebida que voltou do volume de ar iluminado. Em forma simplificada, a potência recebida é proporcional ao fator de refletividade
e depende da distância
(e de características do sistema):
O radar mede a potência recebida
Aqui:
-
é a potência recebida pelo radar. -
é a distância entre radar e o volume que retroespalha o sinal.
Na prática usa‑se a equação de radar mais completa que inclui potência transmitida, ganho da antena , comprimento de onda , constante dielétrica das gotas e volume de resolução, mas para entender a cadeia basta saber que o processamento do radar converte em um valor estimado de (ou em dBZ, ver próximo passo). Observações importantes: efeitos como atenuação do sinal, variação do volume de amostragem com a distância, e ganho do radar devem ser corrigidos para obter correto.
Passo 4
Escala logarítmica e unidades de observação.
Como varia em ordens de magnitude grandes, costuma‑se trabalhar em decibéis relativos a
:
Como
Exemplo: se
(
), então
. Isso facilita mapas e interpretação visual do radar.
Passo 5
Converter
em taxa de precipitação
(mm/h) — relação empírica
.
A relação entre refletividade e intensidade de chuva
não é direta teoricamente (depende da distribuição
). Usa‑se uma relação empírica do tipo
A relação entre refletividade
onde:
-
está em , -
é a taxa de chuva em , -
e são coeficientes determinados por ajuste estatístico em cada região/condição (calibração com pluviômetros).
Para obtera partir de :
Um exemplo clássico (Marshall–Palmer) é
,
, ou seja
Passo 6
Exemplo numérico (para praticar e ver como se aplica).
Suponha que o radar diga . Primeiro converte‑se para
:
Suponha que o radar diga
Usando a relação Marshall–Palmer
, calcula‑se
:
Portanto,
corresponde, nessa relação, a cerca de
.
Passo 7
Calibração, correções e limitações práticas (o que o professor pode cobrar na prova).
- Calibração: compara‑se sistematicamente as estimativas do radar com pluviômetros em solo (pontos) para ajustar
e ou corrigir o ganho do radar. - Atenuação: em radares de comprimento de onda mais curto (ex.: X‑band) a propagação sofre atenuação significativa em chuva intensa; é preciso corrigir.
- Altura do feixe: o feixe sobe com a distância (curvatura da Terra), então o radar observa a chuva em uma altura que aumenta com
; chuva na superfície pode não ser bem amostrada longe do radar. - Bright band: camada de fusão/derretimento pode aumentar
sem aumento proporcional de na superfície. - Variação da distribuição de gotas: diferentes tipos de chuva (chuva fraca, chuva convectiva, orvalho) têm diferentes
, logo uma única relação pode não servir para todas as situações.
Por isso a calibração com pluviômetros e algoritmos de correção são essenciais antes de gerar um mapa de chuva.
Passo 8
Recursos modernos que melhoram a medição.
- Radares Doppler medem velocidade dos hidrometeoros, ajudando a distinguir movimento e artefatos.
- Radares polarimétricos (dupla polarização) medem parâmetros adicionais como refletividade diferencial
e fase diferencial (especificamente ) que permitem estimativas de chuva menos sensíveis à atenuação e à variação de . Em particular, (fase diferencial específica) correlaciona‑se bem com e é menos afetado por calibração do que . - Algoritmos combinam observações de radar, modelos e pluviômetros para produzir mapas e séries temporais mais confiáveis.
Passo 9
Resumo prático passo a passo (o que o operador/algoritmo faz para medir chuva):
- Radar emite pulsos eletromagnéticos para um volume de ar.
- Parte da energia é retroespalhada pelas gotas e o radar mede a potência recebida
. - Processamento converte
em fator de refletividade (ou ), aplicando correções instrumentais e de alcance. - Aplica‑se uma relação empírica
(calibrada com pluviômetros) para estimar a taxa de chuva em cada volume/resolução. - Fazem‑se correções adicionais (atenuação, altura do feixe, bright band) e validação com pluviômetros.
- Gera‑se o mapa de chuva (campo espacial de
) e produtos derivados (acúmulos, alertas).
Resposta
O radar mede a chuva emitindo pulsos, recebendo a potência retroespalhada
, convertendo‑a em fator de refletividade
(ou
), e então usando uma relação empírica calibrada com pluviômetros
para estimar a taxa de precipitação
, com correções e validações para atenuação, altura do feixe e variações na distribuição das gotas.