A IMPORTANCIA DOS DADOS DE COBERTURA DE NUVENS E DE SUA VARIABILIDADE

Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 28, n. 3, p. 341-352, (2006)www.sbfisica.org.br

A importancia dos dados de cobertura de nuvens e de sua variabilidade:

Metodologias para aquisicao de dados(The significance of the cloud cover data and its variability - Methodology to data acquisition)

M.P. de Souza Echer1,2, F.R. Martins3 e E.B. Pereira3

1Faculdade de Tecnologia Thereza Porto Marques (FAETEC), Jacareı, SP, Brazil2Divisao de Geofısica Espacial (DGE), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Sao Jose dos Campos, SP, Brasil

3Divisao de Meio Ambiente e Clima (DMA), Centro de Previsao do Tempo e Estudos Climaticos,Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Sao Jose dos Campos, SP, Brasil

Recebido em 13/3/2006; Aceito em 9/5/2006

Este trabalho apresenta uma revisao dos aspectos ligados a influencia das nuvens sobre o clima como tambemseus impactos no desenvolvimento cientıfico, tecnologico e economico de diversos setores da atividade humana.Conceitos basicos da fısica de nuvens sao discutidos. Tambem sao apresentadas as metodologias mais modernaspara a determinacao da cobertura de nuvens a partir de medidas feitas na superfıcie e por satelite.Palavras-chave: nuvens, clima, radiacao solar, observacao de nuvens, instrumentacao meteorologica.

This work is a review on the clouds influence on the weather/climate as well as on its impacts in appliedsciences, technology and economic sectors. Basic concepts on cloud physics and its role in the climate systemare presented, followed by current methods to determine the cloud cover amount from satellite images. A newmethod to determine the sky cloud cover, developed by the authors is also presented with its first results.Keywords: clouds, weather, solar radiation, cloud observation, meteorological instruments.

1. Introducao

O crescente interesse pelo estudo do tempo e do climapode ser compreendido como resultado da conscien-tizacao da sociedade em relacao as consequencias dasatividades humanas sobre o meio ambiente. Nesse qua-dro de interesse direto de todos os nıveis da sociedade, opesquisador atua na divulgacao do conhecimento numalinguagem acessıvel, que possibilite a participacao detodos na discussao dos rumos que a sociedade deve to-mar no sentido de preservar o meio ambiente e mantero desenvolvimento crescente do paıs. Neste artigo pro-curamos apresentar uma revisao do conhecimento sobreo papel das nuvens sobre o clima com especial enfaseno que se refere aos efeitos sobre a radiacao solar.

Na tentativa de compreender o regime do tempo ea evolucao do clima, a ciencia vem estudando diver-sos parametros atmosfericos e tem conseguido grandesavancos na previsao do tempo e do clima. O termo“previsao” foi aplicado na meteorologia pelo almi-rante ingles Robert Fritzroy, significando um enunciadoantecipado das condicoes meteorologicas e climaticaspara um determinado lugar, area, ou rota durante um

perıodo especıfico de tempo cronologico [1].

Nosso planeta funciona de forma analoga a umamaquina termica que e alimentada pela fonte de ener-gia oriunda da radiacao solar nos tropicos e o radiadornos polos. Sob a influencia do movimento de rotacao,essa maquina termica natural impulsiona correntes decirculacao na atmosfera e nos oceanos. Foi sob essaorganizacao natural que se deu a origem e o desenvol-vimento da vida na Terra [1]. O clima proximo a su-perfıcie deve ser compreendido como a sıntese da per-mutacao de massa e energia entre os domınios globais(atmosfera, hidrosfera, litosfera, criosfera e biosfera).

Nossa atmosfera, que e naturalmente uma camadafina de gases presa a Terra pela forca da gravidade,tem o oxigenio e o nitrogenio como gases majoritariosabaixo de 25 km de altitude. O argonio, dioxido decarbono, ozonio e vapor d’agua sao chamados gases mi-noritarios. Desde a Revolucao Industrial, que se deuna Europa do seculo XVIII, a atmosfera tem sofridoforte impacto causado pelo homem, atraves da insercaode gases e aerossois2 resultantes da queima de com-bustıveis fosseis; da construcao de grandes centros ur-

1E-mail: [email protected].

Copyright by the Sociedade Brasileira de Fısica. Printed in Brazil.

2Aerossois sao constituıdos por partıculas pequenas (da ordem de alguns mıcrons), solidas ou lıquidas, maiores que as moleculas,encontradas em suspensao na atmosfera. Seinfeld, J.H. Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution, 1986.

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banos e da alteracao do uso do solo, como por exemplo,a transformacao de florestas em pastagens ou do ala-gamento de grandes areas para a construcao de usinashidroeletricas. Enfim, o homem tem provocado a mo-dificacao da composicao da atmosfera e com isso teminterferido nas relacoes entre os domınios globais cita-dos acima. Essa interferencia leva as alteracoes signifi-cativas no clima com consequencias diretas ou indiretasnas condicoes e na qualidade de vida.

Os avancos tecnologicos das ultimas decadas leva-ram ao desenvolvimento de sistemas de computacaocom enorme capacidade de processamento, bem comohouve um crescimento nos lancamentos de satelites des-tinados a observacao da Terra e a previsao do tempo.A confiabilidade da previsao do tempo e do clima estarelacionada ao conhecimento de diversos parametrosatmosfericos necessarios para alimentar os modeloscomputacionais de circulacao atmosferica. Esses da-dos podem ser obtidos atraves das plataformas de co-leta de dados em superfıcie, atraves de dados fornecidospor radiossondagens empregando baloes meteorologicose por equipamentos de sensoriamento remoto da atmos-fera, tais como radar meteorologico, sistemas opticosque operam raios lasers, fotometros, entre outros. Ossatelites artificiais fornecem muitas informacoes rele-vantes que sao utilizadas na parametrizacao dos pro-cessos fısicos que ocorrem na atmosfera. A utilizacaode satelites tem aumentado a qualidade e o detalha-mento das informacoes sobre a distribuicao global dasnuvens e o papel desempenhado por elas no balancoradiativo da Terra [2-5]. No entanto, dados coletadosem superfıcie continuam sendo essenciais tanto para aalimentacao dos modelos como para validacao dos re-sultados fornecidos pelos mesmos.

Neste trabalho, discutiremos a importancia do co-nhecimento de informacoes sobre a cobertura de nu-vens, uma vez que elas atuam como principal agentemodulador da principal fonte de energia em nosso pla-neta: a radiacao solar. Neste artigo vamos considerar otermo cobertura de nuvens como o parametro que ca-racteriza a quantidade de nuvens presente no ceu em umdeterminado instante de tempo. Utilizando observacoesem plataformas orbitais constatou-se, que essa cober-tura de nuvens, embora variavel, pode atingir a aproxi-madamente 50% do planeta. Esse percentual de cober-tura aliado ao potencial de reflexao que pode chegar a23% para radiacao solar incidente, tornam as nuvens,os agentes mais significativo para o balanco radiativoda Terra.

Inicialmente destacaremos a importancia da in-formacao sobre a cobertura de nuvens em diversas areasdo conhecimento, apresentando uma discussao sucintade alguns estudos em desenvolvimento. A sequenciadeste trabalho fornecera uma breve descricao sobre aconstituicao e formacao das nuvens, a classificacao dasnuvens, a determinacao da cobertura de nuvens atravesda inspecao visual e atraves do emprego de satelites;e, finalmente, os esforcos para o desenvolvimento de

instrumentacao para a determinacao automatica dafracao de cobertura de nuvens em superfıcie.

2. A importancia do conhecimento dacobertura de nuvens

Dentre os componentes da atmosfera, a cobertura denuvens e o principal agente nos processos de absorcaoe espalhamento da luz solar que incide sobre a Terra,seguido pelos gases e pelos aerossois. Devido a isso,informacoes contınuas sobre a cobertura de nuvens saode grande importancia e auxiliam na compreensao devarias questoes ainda em aberto em diversas areas dasciencias atmosfericas e meio ambiente.

A Terra esta envolta quase que permanentementepor uma cobertura de nuvens que pode chegar a 50%de sua area total, o que torna as nuvens uma compo-nente atmosferica de grande relevancia nos processosde absorcao e espalhamento da radiacao solar. A ra-diacao solar em sua trajetoria em direcao a superfıcieterrestre encontra-se com as nuvens, cuja constituicaobasica sao os cristais de gelo e gotıculas de agua. A ra-diacao solar na regiao visıvel (0,39-0,77 µm3) do espec-tro eletromagnetico (Short Wave - SW ) ao interagircom uma nuvem, penetra em seu interior. Parte daradiacao consegue “atravessar” a nuvem enquanto ou-tra parte e retida na nuvem ou refletida de volta aoespaco em decorrencia dos sucessivos processos radia-tivos de espalhamento e absorcao que ocorrem entre aradiacao solar e os cristais e gotıculas. A componenteda radiacao que e transmitida atraves da nuvem atingea superfıcie terrestre, podendo ser percebida em diasnublados. A superfıcie da Terra absorve a radiacao so-lar incidente e reemite a radiacao na faixa espectraldo infravermelho (0,77-1000 µm, Long Wave - LW ).As nuvens funcionam como agentes que aprisionam aradiacao infravermelha que e emitida pela superfıcie epela atmosfera, um efeito semelhante ao efeito estufa.O efeito combinado de retencao-reflexao-transmissao daradiacao em toda a faixa do espectro eletromagnetico(SW-LW ) pelas nuvens e conhecido como forcante dasnuvens (do Ingles: cloud forcing). Diversos estudos so-bre esse efeito e suas implicacoes no clima foram publi-cados mostrando a importancia do cloud-forcing parao planeta [6-8].

As nuvens podem fornecer informacoes importan-tes ao estudo das relacoes Sol-Terra-Clima. Um dosmecanismos propostos para explicar a relacao que seobserva entre mudancas no clima da Terra e a ativi-dade solar e a modulacao da cobertura de nuvens porıons atmosfericos, produzidos por raios cosmicos [9-12].O Sol possui um ciclo de aproximadamente 11 anos,e durante sua fase de maxima atividade, a radiacaocosmica (radiacao de fundo da galaxia) e bastante ate-nuada nas camadas superiores de nossa atmosfera poruma especie de bloqueio magnetico. Quando o Sol entraem seu perıodo de menor atividade, esse bloqueio e en-

31 µm = 10−6 m.

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fraquecido e ocorre maior incidencia de raios cosmicosate a regiao da alta troposfera [13]. Alguns estudos in-dicam que a radiacao cosmica pode produzir ıons queatuam como nucleos para condensacao de nuvens.

Estudos desenvolvidos nas areas de Fısica e Medi-cina mostram que a exposicao exagerada a radiacaoultravioleta B (comprimentos de onda na faixa 0,28-0,32 µm), pode trazer malefıcios a saude humana. Ma-lefıcios que vao desde o eritema ao cancer de pele [14,15]. Compreendendo a importancia de adotar uma me-dida de protecao contra os efeitos da exposicao exage-rada a radiacao ultravioleta foi criado o Indice UV,para informar ao publico leigo sobre os riscos associa-dos a essa exposicao. Silva [16] propoe em seu trabalhoum algoritmo de previsao para o ındice de UV-B emtodo territorio brasileiro, com 24 horas de antecedencia,sendo assim possıvel o conhecimento previo do nıvelde radiacao em um determinado ambiente. Um dosparametros de entrada utilizado por esse modelo e acobertura de nuvens. A confiabilidade do Indice UVesta vinculada a precisao da informacao de coberturade nuvens disponıvel.

A cobertura de nuvens tambem desempenha papelrelevante na arquitetura e construcao civil, uma vezque o conhecimento da dinamica da luz natural auxiliano desenvolvimento de projetos que maximizam o con-forto termico de ambientes e levam a maior eficienciado aproveitamento da luminosidade nas construcoes.As condicoes de luminosidade variam de acordo comas condicoes de ceu e da cobertura de nuvens, criandoassim diferentes efeitos no ambiente projetado [17].

O aproveitamento da energia da radiacao solare uma das areas de pesquisa de grande interesseeconomico e ambiental. Sua utilizacao atenderia a de-manda da sociedade por uso de fontes renovaveis deenergia em substituicao ao uso de combustıveis fosseisreduzindo assim a emissao de gases do efeito estufa(CO2, CO, etc.). As nuvens sao o principal fator de mo-dulacao da radiacao solar que atravessa nossa atmosferae, dessa forma, informacoes confiaveis sobre a coberturade nuvens sao dados essenciais para a obtencao de esti-mativas precisas do fluxo de radiacao solar incidente nasuperfıcie.

Alem disso, o conhecimento da cobertura de nuvenstem outras aplicacoes importantes na area energetica,com destaque na otimizacao do despacho de carga emlinhas de transmissao e otimizacao da operacao de sis-temas de iluminacao publica [18].

3. Formacao das nuvens

A caracterıstica visual principal da Terra, quando ob-servada do espaco, e sua cobertura de nuvens. As nu-vens sao volumes com alta concentracao de gotıculas deagua e/ou cristais de gelo em suspensao na atmosfera,podendo ocorrer em qualquer regiao da Terra entre asuperfıcie e a tropopausa. Na formacao das nuvens,a condensacao do vapor d’agua em gotıculas exige apresenca de vapor d’agua na atmosfera e de nucleosde condensacao em quantidade suficiente. Nucleos de

condensacao sao partıculas em torno das quais o vapord’agua se condensa. Tais nucleos sao constituıdos, ge-ralmente, de substancias higroscopicas, ou seja, mate-rial ou substancia que tem afinidade pelo vapor d’aguasendo capazes, portanto, de absorve-lo da atmosferaou de uma mistura gasosa. Como exemplo pode-se ci-tar os sulfatos de origem marinha, cuja presenca podeser facilmente percebida pelo seu cheiro caracterısticode maresia em regioes litoraneas. O processo de con-densacao ocorre quando o ar se resfria pela ascensaoadiabatica. A umidade relativa aumenta, mas antes deatingir 100%, inicia-se o processo de condensacao emtorno dos nucleos de condensacao mais ativos para aformacao das nuvens. Na ausencia de nucleos de con-densacao, a atmosfera pode atingir um estado de su-persaturacao e as nuvens nao sao formadas [19, 20].

4. Processos radiativos em nuvens

A radiacao solar ao atravessar a atmosfera em direcao asuperfıcie terrestre pode ser absorvida e/ou espalhadapela atmosfera. A Fig. 1 apresenta os espectros deradiacao eletromagnetica da radiacao solar desde suaemissao no Sol ate sua incidencia na superfıcie. O es-pectro de radiacao emitido pelo Sol assume a hipoteseda aproximacao de corpo negro com temperatura de5900 K. A absorcao da radiacao ocorre devido a pre-senca de moleculas ou atomos que compoem a atmos-fera. Por exemplo, o O2 e o O3 apresentam fortes ban-das de absorcao na regiao ultravioleta (0,001-0,39 µm)do espectro eletromagnetico, e outras especies comoH2O e CO2 absorvem fortemente na regiao do infra-vermelho (0,7-1000 µm), como pode ser visto na Fig. 1.A regiao do visıvel apresenta-se como uma janela at-mosferica, pois nao ocorrem bandas de absorcao nesteintervalo espectral. Por esta razao, todo o sistema bioti-co adaptou-se para o aproveitamento da energia situadaexatamente nessa faixa do espectro da radiacao [21].

Figura 1 - Curvas do espectro de emissao de radiacao pelo Solassumindo a aproximacao de corpo negro a uma temperatura de5.900 K; da irradiacao solar que atinge o topo da atmosfera eda irradiacao solar incidente na superfıcie ao nıvel do mar apre-sentando as bandas de absorcao da radiacao incidente pelos di-ferentes gases constituintes da atmosfera. Fonte: modificada deMartins [37]


As nuvens desempenham um papel importante natransmitancia atmosferica da radiacao de ondas cur-tas e ondas longas e seus efeitos radiativos no ba-lanco energetico do planeta tem sido estudado extensi-vamente durante os ultimos anos [6, 22-24]. A influenciadas nuvens, na transmissao da radiacao solar de ondascurtas atraves da atmosfera e dominada pelo processode espalhamento da radiacao. A absorcao da radiacaode ondas curtas (SW) pela agua lıquida ou por cristaisde gelo pode, na maioria das situacoes, ser desprezada[25-27]. O espalhamento da radiacao de ondas curtaspor nuvens depende da espessura optica das mesmas,da distribuicao de tamanhos das gotıculas, do conteudoe do estado fısico da agua [22]. As propriedades opticasde espalhamento da radiacao nas nuvens podem ser de-terminadas pela teoria de Mie que descreve todos osprocessos de difracao e refracao que ocorrem em cadacentro espalhador [28-30].

Com relacao a interacao com a radiacao de ondaslongas, as nuvens funcionam como agentes que apri-sionam a parte da radiacao emitida pela superfıcie epela atmosfera. Ao efeito total decorrente da absorcao-reflexao da radiacao solar pelas nuvens da-se o nome

de forcante das nuvens (cloud-forcing), visto anterior-mente. O efeito da cobertura de nuvens na trans-mitancia atmosferica da radiacao solar dependera dotipo de nuvem que compoem a cobertura.

A Fig. 2 apresenta a media anual no territorio brasi-leiro da distribuicao climatologica da nebulosidade e dairradiacao solar global na superfıcie. Os dados de nebu-losidade sao fornecidos pelo Instituto Nacional de Me-teorologia (INMET) a partir de observacoes de camporealizadas no perıodo de 1931 a 1990 [31]. O mapade irradiacao solar global foi obtido a partir de valoresmedios das estimativas de total diario da irradiacao so-lar global fornecidas pelo modelo de transferencia radia-tiva BRASIL-SR no perıodo 1995-2002. Essas estima-tivas foram validadas por meio de comparacao com me-didas de campo realizadas em diferentes regioes do paısa fim de avaliar sua confiabilidade [32]. Uma descri-cao mais detalhada do modelo BRASIL-SR bem comodas parametrizacoes por ele adotadas e os resultadosde comparacoes das estimativas fornecidas com valoresmedidos em superfıcie foram apresentados neste mesmoperiodico [33].

Figura 2 - Distribuicao da nebulosidade e da radiacao solar ao longo do territorio nacional.


Pode-se observar a partir da analise dos mapasapresentados que apesar das diferentes caracterısticasclimaticas apresentadas entre as regioes norte e sul doBrasil, a media anual do total diario de irradiacao solarglobal e bastante homogenea em todo o territorio bra-sileiro. O valor maximo de irradiacao solar ocorre nonorte do estado da Bahia proximo a fronteira do Piauı- cerca de 6.5 kWh/m2 day. Essa area apresenta umclima semi-arido com baixa precipitacao (em torno de300 mm anuais) e a menor nebulosidade apresentadano Brasil. O valor mınimo de irradiacao solar (cercade 4.25 kWh/m2 day) foi obtido para o nordeste doestado de Santa Catarina que e caracterizada por umaprecipitacao elevada em comparacao com o restante dopaıs. Estudos mostram que a regiao sul esta sujeitadurante o verao (dezembro a marco) a uma irradianciasolar media superior a irradiancia solar incidente naregiao norte apesar de sua proximidade ao Equador[32]. Isso e explicado pelas caracterısticas climaticasda regiao amazonica: elevada precipitacao e coberturade nuvens persistente durante os meses de verao devidoa forte influencia da Zona de Convergencia Intertropical(ITCZ). As regioes norte e central do Brasil recebem amaior irradiacao solar do que as demais regioes do paısdurante a estacao seca (junho a setembro) quando aprecipitacao e baixa e ocorre a predominancia de diasde ceu claro. Vale ressaltar aqui que os efeitos de es-palhamento e absorcao da radiacao solar por aerossoisemitidos nos eventos de queimada que acontecem pre-dominantemente durante a estacao seca nao foram con-siderados na confeccao do mapa apresentado na Fig. 2.Dessa forma, a irradiacao solar estimada para as regioesnorte e central do Brasil, mais afetadas pela ocorrenciade queimadas, durante o perıodo de maio a setembro

apresenta desvios que podem atingir ate 30% em relacaoaos valores medios medidos em superfıcie. Nas demaisregioes os desvios apresentados sao da ordem de 6%.

5. Classificacao de nuvens

A classificacao internacional de nuvens foi publicada em1896, e tem sido, desde entao, revisada periodicamente.A ultima revisao define e descreve dez tipos de nu-vens, que sao classificadas de acordo com caracterısticasfısicas como altitude e forma: Cirrus, Cirrocumuluse Cirrostratus (nuvens altas), Altocumulus, Altostra-tus, Nimbostraus (nuvens medias), Sratus, Stratocumu-lus, Cumulus, Cumulonimbus (nuvens baixas) [19]. AFig. 3 apresenta os tipos nuvens conforme estabele-cido na classificacao internacional de nuvens da Orga-nizacao Mundial Meteorologica (OMM). Estudos rea-lizados determinaram que a cobertura de nuvens, tantosobre areas continentais quanto em areas oceanicas,e constituıda principalmente por nuvens Stratus, Al-tostratus e Cirrus [34]. Cada tipo de nuvem possuipropriedades opticas diferentes em funcao de sua com-posicao (conteudo de agua, distribuicao de tamanhosdas gotıculas, estado fısico da agua, etc.), de modo quea transmitancia da radiacao solar para a superfıcie estarelacionado ao tipo de nuvem presente na cobertura denuvens sobre o local de estudo.

Existem duas formas basicas para o trabalho deobservacao do ceu, com o objetivo de determinar afracao de cobertura de nuvens (nebulosidade) e suaclassificacao: atraves da inspecao visual realizada porobservadores na superfıcie terrestre e atraves do uso desatelites.

Figura 3 - Representacao esquematica da classificacao de nuvens segundo forma e altitude. As siglas apresentadas na figura representam:Ci - cirrus; Cs - cirro stratus; Cc - cirrocumulus; Ac - alto-cumulus; Sc - stratocumulus; As - altostratus; St - stratus; Ns - Nimbostratus;Cu - cumulus; e Cb - cumulonimbus. Fonte: Modificado de Lenoble (1993).


6. Determinacao da cobertura de nu-vens atraves da observacao visual

A observacao da cobertura de nuvens pode ser rea-lizada atraves da inspecao do ceu por tecnicos treinadosque trabalham em estacoes meteorologicas, conformepadroes definidos pela OMM. No procedimento usadodurante a observacao, o observador devera colocar-senum ponto que ofereca o maximo de desobstrucao davisao do ceu em todas as direcoes. A estimativa deveraser feita supondo-se que a nebulosidade existente estejadistribuıda em uma so camada contınua. A observacaopodera ainda ser facilitada, dividindo-se a abobada ce-leste em metades ou quadrantes. A seguir, soma-se ototal das metades ou dos quadrantes [35]. A quantidadeparcial ou total de nuvens e expressa por uma fracaoproporcional a area encoberta e com aproximacoes emoitavos ou decimos. Quando a quantidade de nuvensfor grande, sera mais facil estimar a area descoberta e,por diferenca, obter a area encoberta. Na observacaovisual e recomendado ignorar a parte do ceu proximo aohorizonte, pois nesta regiao as nuvens aparentam estarmais agrupadas, em funcao do efeito da perspectiva,parecendo o total de nuvens ser maior do que o real.Se existir mais de uma camada na hora da observacao,somente a porcao visıvel de cada uma deve ser consi-

derada, a fim de se obter um total maximo de 8/8. Nasocasioes de nevoeiros densos, o estado do ceu deve serretratado como completamente nublado. Caso o Sol ouas estrelas possam ser vistos atraves do nevoeiro e naohaja nenhuma evidencia de nuvem acima dele, o estadode ceu deve ser relatado como claro. Pelo metodo apli-cado, percebe-se que a observacao visual realizada portecnicos em superfıcie, embora amplamente aceita, pos-sui um carater bastante subjetivo.

A Fig. 4 apresenta tres graficos com a avaliacaode dois experientes observadores de superfıcie. Cadaobservador realizou isoladamente o trabalho de inspe-cao das imagens que foram coletadas ao longo do dia,em presenca de varios cenarios de luminosidade. Asimagens foram coletadas utilizando um equipamentodigital com sensor CCD modelo PCS20232 acoplado aum micro computador responsavel pelo acionamento doequipamento e armazenamento das imagens. Em umatabela foram marcados os percentuais de ceu claro e denuvens que encontraram na analise das imagens feitasdo ceu na ilha Rei George na Estacao Brasileira Coman-dante Ferraz (62◦05’ S 58◦23.5’ W). Os observadoresatribuıram uma classificacao denominada “Indetermi-nado” para a fracao da area da foto que nao consegui-ram classificar como ceu claro ou ceu encoberto [36].

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Figura 4 - Respostas da inspecao visual de dois observadores para um grupo de fotos digitais. O campo de visao utilizado para a capturadas imagens foi de 36◦.

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O fator de correlacao igual a 0,81 mostra que houveuma grande concordancia entre a classificacao de ceuclaro apresentada pelos 2 observadores. No entanto,e possıvel observar na Fig. 4a um ponto isolado dosdemais, onde o observador 2 descreve uma das imagenscom 60% de ceu claro enquanto que o observador 1 clas-sifica apenas 10% da imagem na mesma condicao. Esseponto e um exemplo de como fatores subjetivos e asso-ciados ao observador podem interferir na precisao dasmedidas de superfıcie realizadas por inspecao visual.

A correlacao entre os valores fornecidos pelos obser-

vadores tambem foi igual a 0,81 para a fracao de ceuencoberto. Entretanto, e possıvel observar na Fig. 4(b)a ocorrencia de um segmento com sete pontos para osquais o observador 2 classificou 75% em condicao deceu encoberto enquanto que a classificacao apresentadapelo observador 1 apresentou uma variacao entre os va-lores de 60% e 90%. Essas discrepancias confirmam quea descricao visual da cobertura de nuvens, embora am-plamente aceita, e um metodo bastante subjetivo. Afracao de indeterminacao mostrou a melhor correlacaoentre os resultados apresentados pelos observadores de


0,84 [36].Alguns fatores que podem ter contribuıdo para uma

boa correlacao entre as avaliacoes dos observadores.Dentre eles, podemos citar a experiencia dos observa-dores que participaram do experimento e o fato de queo campo de visao era inferior a 180◦ uma vez que todoo trabalho foi realizado com o emprego de imagens enao em tempo real no campo. Dentro deste contexto,os ındices de incerteza devem ser maiores quando a ava-liacao e realizada levando em consideracao todo o ceu,pois a presenca de nuvens no horizonte pode causarequıvocos de classificacao devido ao efeito de perspec-tiva.

7. Determinacao da fracao de coberturade nuvens atraves do emprego deimagens de satelite

Diversas tecnicas foram publicadas ao longo dos anospara a determinacao dos valores da irradiancia visıvelpara determinacao de ceu claro e ceu encoberto. Oobjetivo no desenvolvimento dessas tecnicas e estudaras propriedades opticas das nuvens e sua influencia nobalanco radiativo da Terra. As tecnicas desenvolvidaspodem ser agrupadas da seguinte forma: a) tecnicasque estabelecem valores limiares para a deteccao de nu-vens e avaliam pixel a pixel da imagem de um ou maiscanais espectrais fornecidos pelo satelite; b) tecnicasque analisam propriedades estatısticas das irradianciavisıvel e/ou infravermelha em grupos de pıxeis4 ou emparte de imagens.

No Brasil, diversos estudos sobre o assunto vemsendo publicados. Martins [37] desenvolveu um algo-ritmo que utiliza a razao entre as radiancias medidasnos canais infravermelho e visıvel pelo satelite GOES-8para a determinacao do coeficiente de cobertura de nu-vens. Neste estudo a refletancia medida pelo satelite emcondicao de ceu claro e identificada atraves dos maioresvalores de razao entre as radiancias infravermelha (IR)e visıvel (VIS ) uma vez que um pixel sem nuvens apre-senta caracterısticas associadas a superfıcie da Terra:temperatura elevada e albedo planetario reduzido. Poroutro lado, pixeis encobertos por nuvens apresentamcaracterısticas inversas, baixas temperaturas e albedoelevado quando comparado com a cobertura do solo,na ausencia de neve ou gelo. Ceballos et al. [38] em-prega uma metodologia baseada em analise de conjun-tos (clusters) com o emprego de quatro variaveis obtidascom o uso do satelite GOES-8: as radiancias e as textu-ras dos canais 1(VIS) e 4(IR). As texturas representama variabilidade espacial das radiancias nos dois canais

determinadas a partir da variancia das mesmas numaarea de 3x3 pixeis das imagens do satelite.

Todas as tecnicas desenvolvidas e propostas na lite-ratura apresentam problemas semelhantes: dificuldadena definicao da ocorrencia de contaminacao por nuvensem um pixel da imagem em razao da presenca de nu-vens com diferentes emissividades e a dependencia queapresentam em relacao as propriedades da superfıcie.Um estudo realizado pelo ISCCP concluiu que a ava-liacao dos algoritmos de nuvens esta limitada por doisfatores: a) as caracterısticas dos dados de satelite dis-ponıveis, tais como resolucao espacial e espectral; b) afalta de um banco de dados de “verdade terrestre” quepermita a comparacao entre os resultados dos diversosalgoritmos e a avaliacao do desempenho de cada umdeles [37].

Wielick e Parker [39] analisaram seis tecnicas paraa determinacao de cobertura de nuvens com uso desatelites. As duas primeiras eram tecnicas de ban-das monoespectrais que verificam pixel a pixel se a re-fletancia (espectro visıvel) ou temperatura (espectro in-fravermelho) atingem o limiar que define o pixel comosendo de ceu claro ou nublado. As duas tecnicas se-guintes eram bi-espectrais, ou seja, utilizam imagens debandas no espectro visıvel e infravermelho para carac-terizar o pixel como claro ou nublado. As duas ultimastecnicas baseiam-se na variabilidade espacial dentro deum campo da imagem para determinar a cobertura denuvens. Os autores concluıram que a precisao dos re-sultados obtidos com qualquer uma das tecnicas empre-gadas apresenta uma forte dependencia em relacao aresolucao espacial das imagens de satelite. Alem disso,nao foi possıvel identificar qual tecnica apresentou me-lhores resultados.

As dificuldades apresentadas para validacao dastecnicas propostas na literatura atraves do emprego deimagens de satelites deixam clara a grande necessidadede resultados de dados contınuos de verdade terrestresobre cobertura de nuvens. Contudo, como visto noitem anterior, a base de dados de verdade terrestre,neste caso, e produto de observacoes visuais realizadaspelos operadores de estacoes meteorologicas e aeropor-tos. Os valores catalogados resultantes da aquisicao dosdados em superfıcie por observadores, podem estar su-jeitos a variacoes que dependem da area coberta peloobservador, da visibilidade no momento da observacaoe ainda do efeito de perspectiva entre a posicao relativado observador e as nuvens. Alem das imprecisoes men-cionadas, existem fatores que estao relacionados aos di-ferentes campos de visao do observador na superfıcie eatraves do imageador do satelite, a imprecisao no pro-cesso de navegacao das imagens de satelite, e a dife-

4Definicao de pixel: elemento de imagem. O “vocabulario ortografico da lıngua portuguesa”nao registra o verbete “pixel”. O Di-cionario Michaelis (1998) o registra como uma palavra inglesa, assim como o dicionario Houaiss o registra e o seu plural em ingles como“pixels”. A palavra nao existe oficialmente na lıngua portuguesa, entretanto devido a dificuldade de encontrarmos um termo equivalenteem portugues tornou-se inevitavel seu uso no presente trabalho. Neste caso, usaremos o verbete pixel e seu plural como seguiria a regrageral de paroxıtonas terminadas em “el”: pixel →pıxeis


renca de escalas do tempo de observacao e do horarioda observacao da cobertura de nuvens realizadas vi-sualmente e por varredura do satelite. Ate o presentemomento, nao existe uma maneira simples de compa-rar os resultados dos algoritmos que utilizam imagensde satelites e valores medidos em superfıcie, tao poucoexiste uma padronizacao para determinacao automaticada fracao de cobertura de nuvens a partir da analise deimagens digitais coletadas em superfıcie.

Outro aspecto importante que diferencia asobservacoes com o uso de satelite das observacoes feitasem superfıcie e a possibilidade de estimar a espessuraoptica das nuvens. Nenhuma das metodologias para a

determinacao da fracao de cobertura de nuvens a par-tir da superfıcie em uso atualmente e capaz de forneceressa estimativa que e de grande utilidade na avaliacaodo fluxo de radiacao solar que incide na superfıcie [40].

A Fig. 5 apresenta duas imagens do satelite GOES-8a primeira (a) no canal visıvel e a segunda (b) no infra-vermelho, um quadrado em vermelho demarca a regiaode Florianopolis, local utilizado pelo grupo da Divisaode Clima e Meio Ambiente (DMA/CPTEC/INPE) paraexperimentos de instrumentacao de superfıcie para cap-tura de imagens digitais, como sera visto na proximasecao do trabalho.

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Figura 5 - Imagens do satelite GOES-8 em 08/01/2002-17h45UTC (a) imagem no espectro visıvel (0,52-0,72 µm) e (b) no espectroinfravermelho termal (11,5-12,5 µm). Regiao de Florianopolis esta demarcarda pelo retangulo.

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8. Instrumentacao de superfıcie paradeterminacao da cobertura de nu-vens

Trabalhos desenvolvidos por Santos [41], Holle eMacKay [42] entre outros, mostram a persistencia nabusca de obter informacoes sobre a cobertura de nu-vens atraves de imagens de todo o ceu, adquiridas comcameras e lente grande angular do tipo “olho de peixe”e chapas fotograficas. Apos a revelacao das chapasfotograficas a fracao da cobertura de nuvem era rea-lizada com o auxılio de uma grade para planificacao das

imagens e posterior mapeamento das nuvens. Shieldset al. [43], Feister et al. [44] propoem metodologiapara determinacao da cobertura de nuvens utilizandocamera digital e algoritmos que utilizam a razao entreo vermelho e o azul do sistema RGB de cores. Osesforcos empregados por diversos grupos de pesquisaspara obtencao da fracao de cobertura de nuvens em su-perfıcie sao motivados, pela importancia desse tipo deinformacao para a comunidade cientıfica internacional.

Comercialmente ainda e extremamente restrito omercado produtor de sistemas comerciais para a obser-vacao de nuvens em superfıcie. Entre os sistemas mais


conhecidos existe um equipamento fabricado pela Yan-kee Environmental System, chamado Total Sky Imager(TSI ) em duas versoes (modelo 440 e modelo 880) parafornecer a cobertura de nuvens em superfıcie. Esseequipamento pode ser visualizado na Fig. 6. O sis-tema possui uma calota convexa polida sobre uma baseaquecida que evita a condensacao de agua. Fixo a baseexiste um braco que sustenta uma camera apontandopara o centro da calota. O sistema do TSI -880 permiteo armazenamento de imagens enquanto que, o TSI -440necessita da transferencia das imagens capturadas paraoutro dispositivo. O custo desse tipo de equipamento eelevado (cerca de quatorze mil dolares) para que entreem operacoes de rotina nas estacoes de superfıcie. Alemdisso, o sistema processa imagens capturadas em RGBpara analises da fracao de cobertura de nuvens, o quepode comprometer os resultados uma vez que o ceuclaro se caracteriza por tons azuis, com matizes quevao do verde ao vermelho e as nuvens, por sua vez,possuem cor branca com matizes de cores que vao doazul ao vermelho.

Figura 6 - Imageador TSI 440 em uso nas estacoes da rede decoleta de dados SONDA (Sistema de Organizacao Nacional deDados Ambientais).

Souza [45] desenvolveu um algoritmo capaz de re-conhecer pixeis contaminados por nuvens em imagensdo ceu captadas por cameras digitais. O objetivo dotrabalho foi o desenvolvimento de um metodo de pro-cessamento digital de imagens, para determinacao dacobertura efetiva de nuvens, a partir de imagens obtidas

na superfıcie com um imageador digital de baixo custoconstruıdo para o experimento. O trabalho foi propostopara ser aplicado primordialmente a Antartica com o in-tuito de ser empregado como “verdade terrestre” paravalidacao dos dados de satelites que geram informacoesrelevantes para estudo sobre o clima. E nessa regiaoque ocorrem as maiores dificuldades para os atuais al-goritmos de monitoracao da extensao do gelo marinhoem funcao da semelhanca entre as respostas espectraisdas nuvens e das superfıcies glaciadas a incidencia deradiacao solar [24]. O continente antartico e os oceanosa ele associados nao dispoem de uma rede de observacaoadequada para esse tipo de estudo, devido a extensaode sua area e sua inacessibilidade. O uso de sensores abordo de satelites permite, em princıpio, suplantar essadificuldade logıstica. Mas, para isso, existe a necessi-dade de se estabelecer uma rede mınima de estacoesde observacao em superfıcie que servirao de base de in-tercomparacao e validacao para os dados obtidos pelossatelites.

A aquisicao de imagens foi feita no sistema RGB decores (vermelho, verde e azul), sendo as imagens pos-teriormente transformadas para o espaco de atributosIHS - Intensidade (I ntensity), Matiz (Hue) e Saturacao(Saturation). A principal caracterıstica desta metodo-logia esta baseada na diferenca existente entre os nıveisde saturacao do ceu claro e das nuvens. As nuvens apre-sentam alta refletancia e tons pasteis, o que revela amistura de varios comprimentos de onda da luz visıvel.Por outro lado, o ceu apresenta uma alta saturacao re-velando um padrao menos variado de comprimentos deonda na sua composicao - “uma cor mais pura” [36, 46].

Um exemplo do resultado obtido com este algo-ritmo pode ser visualizado na Fig. 7. O painel nocanto superior-esquerdo e a imagem original coletadaem RGB, o painel inferior-esquerdo apresenta a res-posta da saturacao para a imagem original. O painelsuperior-direito apresenta a resposta da classificacaorealizada pelo programa, utilizando a componente dasaturacao do espaco IHS. O ultimo painel apresenta oresultado com a classificacao dos pıxeis como ceu claro,ceu encoberto e indeterminado.

Os resultados obtidos com a aplicacao deste algo-ritmo mostraram a adequacao da metodologia propostae incentivaram a continuidade do seu desenvolvimento[36, 46]. Souza Echer [8] junto ao grupo da Divisaode Clima e Meio Ambiente do (DMA/CPTEC/INPE)desenvolveu um sistema imageador de nuvens compos-to basicamente por uma camera digital marca Pixera,modelo PCS20232, com sensor do tipo Charge CoupledDevice (CCD) especificada para a faixa visıvel do espec-tro de radiacao solar (0,39 a 0,77 µm), com uma lentegrande angular com um campo de visao de 183◦. Oprocessamento das imagens adquiridas com o sistema erealizado com o algoritmo descrito por Souza [45]. Otrabalho teve como finalidade desenvolver um prototipode baixo custo capaz de produzir dados de alta quali-


dade sobre a fracao a de cobertura de nuvens no ceuSouza Echer et al. [46]. O fluxograma do sistema podeser visualizado na Fig. 8.

Figura 7 - Exemplo da classificacao de imagens. (a) imagem emRGB coletada pela camera PIXERA. (b) mapa de saturacao daimagem original. (c) mapa de cores falsas. (d) percentual depıxeis em cada classificacao da condicao de ceu (claro, encobertoe indeterminado).

Figura 8 - Fluxograma de operacao do sistema mapeamento au-tomatico da fracao de cobertura de nuvens.

A Fig. 9 apresenta uma imagem fornecida pelo sis-tema proposto por Souza Echer [8] para determinacaoda fracao de cobertura de nuvens em superfıcie, osistema encontra-se em operacao em Florianopolis-SC(27◦28’ S, 48◦29’ W, 15 m). A aquisicao automatica dosdados teve seu inıcio no segundo semestre de 2002, com

imagem coletadas a cada 15 minutos. O inıcio da rotinadiaria de aquisicao e as 08:45 UTC e sua finalizacao as20:45 UTC. Cada imagem coletada e armazenada noformato Joint Photographic Expert Group (JPEG). Emparalelo a aquisicao de imagens, dados de radiacao so-lar sao coletados com padrao estabelecido para Base-line Surface Radiation Network (BSRN ) da OMM. Aestacao solarimetrica e administrada pelo Laboratoriode Energia Solar da Universidade Federal de Santa Ca-tarina (LABSOLAR/UFSC). Os dados de radiacao so-lar sao utilizados como parametros de avaliacao paraas informacoes geradas pelo sistema de aquisicao deimagens.

Os primeiros resultados produzidos pelo prototipomostraram que o outono de 2002 apresentou maiorquantidade de dias claros. O inverno/2002 apresen-tou uma maior variacao na nebulosidade que o outono,entretanto, nao apresenta ocorrencia de baixa nebulosi-dade (fracao de cobertura de nuvens da ordem de 5%).A primavera de 2002 foi marcada pela presenca de nu-vens de modo mais acentuado, com fracao de coberturade nuvens apresentando maior variabilidade do que asdemais estacoes do ano. Os veroes de 2002 e 2003 apre-sentaram 45% dos dias com uma fracao de coberturade nuvens em torno de 25%.

Figura 9 - Imagem do dia 08/01/2002 as 16:10h (hora local) cole-tada com sistema de captura de imagem desenvolvido na Divisaode Clima e Meio Ambiente (DMA/CPTEC/INPE).

A Fig. 10 mostra o efeito da fracao de coberturade nuvens sobre a radiacao solar medida em superfıcie,apresentando dois graficos para os dias 4, 5 e 6 de ou-tubro de 2002. O primeiro grafico mostra as curvas da

5A radiacao direta medida, e obtida numa superfıcie normal ao feixe solar e deve ser corrigida pelo co-seno do angulo solar zenitalpara determinar-se a radiacao direta sobre uma superfıcie horizontal. Desta forma radiacao global = (radiacao difusa + radiacao diretahorizontal).


radiacao solar global, difusa e direta horizontal5. O se-gundo grafico apresenta a fracao de cobertura de nuvenspara os mesmos dias. E possıvel visualizar tres cenariostıpicos de condicoes de ceu: ceu claro, ceu totalmenteencoberto e ceu parcialmente encoberto. O dia 4 de ou-tubro e um dia tıpico de ceu claro. O dia 5 de outubrorepresenta um cenario com o ceu totalmente encobertopor nuvens. O dia 6 de outubro representa um cenariode ceu parcialmente encoberto. Neste ultimo caso aevolucao da radiacao solar pode ser acompanhada parao perıodo do dia em que o ceu esteve encoberto e paraa segunda metade do dia em que a nebulosidade cedeespaco ao ceu claro. A feicao da diminuicao da nebu-losidade dando lugar a ceu claro fica bastante evidenteno exemplo para fracao de nuvens do dia 6 de outubrode 2002.

Figura 10 - Grafico superior apresenta a radiacao global, di-fusa e direta para os dias 4, 5 e 6 de Outubro de 2002.Grafico inferior apresenta fracao da cobertura de nuvens parao mesmo perıodo observado com o imageador desenvolvido naDMA/CPTEC/INPE.

9. Consideracoes finais

Sabe-se que a quantidade de radiacao solar queatinge a superfıcie da Terra dependera: dos efei-tos astronomicos; da quantidade de radiacao emitidapelo Sol que e funcao do comprimento de onda e defenomenos que ocorrem na propria fonte de energia,bem como da variabilidade natural da transmitanciaatmosferica. A transmitancia atmosferica da radiacaosolar e um processo fısico de complexa descricao, devidoao grande numero de propriedades fısicas que compoemnossa atmosfera e a influenciam. Dentre os constitu-intes atmosfericos as nuvens sao os agentes que apre-sentam maior variabilidade no tempo e maior impactosobre a energia radiante do Sol. Elas interagem coma radiacao solar tanto na faixa espectral do visıvel,quanto no infravermelho, por isso desempenham umpapel de grande importancia dentro do balanco radia-tivo do planeta. A relevancia das investigacoes sobre as

nuvens e o papel que elas desempenham no clima e con-sequentemente na vida que se desenvolve na Terra temmotivado muitos estudos na tentativa de conhecer me-lhor esse agente tao eficiente no mecanismo de extincaoda radiacao solar. Importantes questoes ainda estaosendo investigadas como, por exemplo, a variabilidadeda nebulosidade ao longo do ano, quais a implicacoesdessa variabilidade para o clima do planeta, ou aindaa influencia que as nuvens nas relacoes existentes entreSol-Terra-Clima que hoje vivenciamos. Pesquisadoresde varios paıses tem investido em pesquisa e aplicacaodo conhecimento cientıfico no desenvolvimento de umainstrumentacao que seja capaz de monitorar a cober-tura de nuvens a partir da superfıcie com o intuito degerar uma base de dados atualmente imprescindıvel aosdiversos setores sociais.

O Brasil tambem tem apresentado sua contribuicaopor meio do desenvolvimento do Sistema de Mape-amento Automatico da Fracao de Cobertura de Nu-vens [46]. Espera-se que este seja o primeiro passo emdirecao a solucoes viaveis para o trabalho de aquisicaode imagens do ceu em superfıcie que apresente simplici-dade de operacao e baixo custo. O sistema mencionadofoi fomentado pelo Conselho Nacional de Desenvolvi-mento Cientıfico e Tecnologico (CNPq) atraves do Edi-tal Universal ano - 2002 e da concessao de uma bolsade doutorado.

Observando nosso presente, vislumbramos o futurocom muitas alternativas para a questao do conheci-mento sobre as nuvens e sobre as ciencias de um modogeral no Brasil. Possuımos todos os quesitos para o de-senvolvimento cientıfico e tecnologico, temos a materiaprima para tal realizacao - recursos humanos altamentequalificados. O que precisamos como paıs, e perceberque investir em ciencia e tecnologia e um projeto viaveltecnica e economicamente para uma nacao.

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A IMPORTANCIA DOS DADOS DE COBERTURA DE NUVENS E DE SUA VARIABILIDADE

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