Numero de eventos desde enero a junio de
N/W EXTENSIÓN DE COBERTURA
N/W EXTENSIÓN DE COBERTURA
La cobertura del producto Full Disk L1b consiste en aquellos píxeles cuyos centros caen dentro de la GRS80 El centro de la imagen de disco completo es el subpunto de satélite.
0,30370416 0,302701402
La tabla 10 muestra la extensión horizontal y vertical de las imágenes de ABI en medidas de radianes
Tabla 11: Extensión en pixeles de las imágenes ABI
N/S E/W
Dimensiones 5424 5424
83 Tabla 12: Ángulos del pixel más al nor-oeste de la imagen
Identifica los ángulos de exploración N / S de elevación y E / W del centro del píxel más al noroeste en imágenes Full Disk y CONUS
X Y
-0,151844 0,151844
La tabla numero 12 muestra el ángulo de exploración del pixel superior izquierdo de las imágenes de ABI.
Tabla 13: Centro de la imagen Full disk Centro de imágenes ABI (coordenadas de
cuadrícula fija) Identifica los ángulos de exploración N / S y E / W de exploración del centro de las imágenes CONUS y Full Disk
CENTRO E/W CENTRO N/S
0 0
La tabla 13 muestra en ángulo de barrido del centro de las imágenes de ABI
Tabla 14: Limites de las imágenes Full disk en radianes
Límites de la imagen (x) Límites de la imagen (y)
W E N S
identifica los ángulos de elevación N / S de las extensiones N / S y los ángulos de exploración E / W de las extensiones E / W
de las imágenes Full Disk y CONUS
-0,151872 0,151872 0,151872 -0,151872
84
Figura 21: Distribución de la grilla . fuente: (GOES-R)
La figura 21 es una representación de la información de ubicación de las imágenes de ABI. Podemos ver como la ubicación de un punto en la matriz de datos de la imagen es de importancia para el cálculo de sus coordenadas en términos de latitud y longitud. Para poder ubicar puntos específicos de la imagen, es necesario saber el procedimiento tanto para navegar de puntos fijos a latitud y longitud y viceversa.
85 Navegación en la imagen
Teniendo en cuenta los ángulos de escaneo de norte a sur y de este a oeste, el elipsoide de referencia y las unidades del sistema internacional podemos ubicar puntos en las imágenes
La Figura 22 muestra las principales variables para tener en cuanta al momento de ubicar datos y coordenadas en las imágenes satelitales. Como podemos ver, los parámetros están relacionados con los principales parámetros definidos para el elipsoide de referencia GRS80 o también WGS84.
Figura 22:Parámetros para la navegación en las imágenes de ABI Fuente: (GOES-R)
86 Navegación desde Ángulos N/S (y) y E/W(x) a latitud y longitud geodésica.
Esta navegación se hace teniendo un punto con coordenadas y,x en radianes, para encontrar su longitud y latitud. Este procedimiento y las ecuaciones que se plasmarán a continuación se encuentran consignados en el Vol 5 de la guía de usuario de la NOAA (NOAA, 2019)
Ecuaciones 𝑎 = 𝑠𝑖𝑛2(𝑥) + 𝑐𝑜𝑠2(𝑥) [𝑐𝑜𝑠2(𝑦) + 𝑟2𝑒𝑞 𝑟2 𝑝𝑜𝑙𝑠𝑖𝑛 2(𝑦)](1) 𝑏 = −2𝐻𝑐𝑜𝑠(𝑥)𝑐𝑜𝑠(𝑦)(2) 𝑐 = 𝐻2 − 𝑟2 𝑒𝑞(3) 𝑟𝑠 = −𝑏 − √𝑏2− 4𝑎𝑐 2𝑎 (4) 𝑆𝑥 = 𝑟𝑠cos(𝑥) cos(𝑦)(5) 𝑆𝑦 = −𝑟𝑠sin(𝑥)(6) 𝑆𝑧 = 𝑟𝑠cos(𝑥) sin(𝑦)(7)
Teniendo en cuenta las anteriores ecuaciones, ya se puede establecer las ordenadas de latitud y longitud como aparece a continuación
𝛷 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑟 2 𝑒𝑞 𝑟2 𝑝𝑜𝑙 𝑠𝑧 √(𝐻 − 𝑠𝑥)2+ 𝑠2𝑦 )(8) 𝜆 = 𝜆0− 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝑠𝑦 𝐻 − 𝑠𝑥)(9)
87 Navegación desde coordenadas geodésica latitud y longitud a Ángulos N/S (y) y
E/W(x)
Esta navegación se hace teniendo un punto con coordenadas de longitud y latitud para encontrar su ubicación en x y y en la imagen. Este procedimiento y las ecuaciones que se plasmarán a continuación se encuentran consignados en el Vol 5 de la guía de usuario de la NOAA (NOAA, 2019). 𝛷𝑐 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 [𝑟 2 𝑝𝑜𝑙 𝑟2 𝑒𝑞 𝑡𝑎𝑛(𝛷)](10) 𝑟𝑐 = 𝑟𝑝𝑜𝑙 √1 − 𝑒2𝑐𝑜𝑠2(𝛷 𝑐) (11) 𝑠𝑥= 𝐻 − 𝑟𝑐cos(𝛷𝑐) . cos(𝜆 − 𝜆0)(12) 𝑠𝑦 = −𝑟𝑐cos(𝛷𝑐) . sin(𝜆 − 𝜆0)(13) 𝑠𝑧= 𝑟𝑐sin(𝛷𝑐)(14)
Finalmente, el conjunto de las anteriores ecuaciones dan el insumo necesario para encontrar las coordenadas x y y de las imágenes.
𝑦 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑠𝑧 𝑠𝑥)(15) 𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( −𝑠𝑦 √𝑠2 𝑥+ 𝑠2𝑦+ 𝑠2𝑧 )(16)
Teniendo en cuenta los anteriores cálculos, se generó una referenciación de las esquinas de la imagen ABI siguiendo los parámetros establecidos como tal:
88 Tabla 15: Ubicación de cordenadas calculadas manualmente
Ubicación de coordenadas calculadas
Radianes Coordenadas x y E/W N/W Superior Izquierda -0,151844 0,15135 -155 42,671253 40,275 81 9,3068 18,407 superior derecha 0,151844 0,15135 5 42,671253 40,275 81 9,3068 18,407 inferior derecha 0,151844 -0,15135 5 42,671253 40,275 -81 9,3068 18,407 inferior izquierda -0,1518 -0,15135 -155 42,671253 40,275 -81 9,3068 18,407 Centro 0 0 -75 0 0 0 0 0
La tabla número 15 contiene las coordenadas en latitud y longitud de los extremos de las imágenes de ABI, que se calcularon teniendo en cuenta las anteriores ecuaciones y la extensión de las imágenes satelitales. Para el procesamiento mediante el software, se asignó cada coordenada a la imagen y también se implementó el elipsoide WGS84 para la mejor definición de los datos.
89 La figura 23 muestra la imagen final de las coordenadas calculadas. Como se puede observar, la asignación de puntos de referencia si bien es muy cercana, no es la más apropiada. La visualización se deforma por los siguientes factores:
En verde se encuentra una capa con la superficie terrestre de este lao del hemisferio. Como el layer es una proyección de la tierra en un plano , varía considerablemente
La proyección sigue todos los parámetros de los cálculos para la asignación de
coordenadas, pero cabe recordar que el software no es el más óptimo para este proceso, pero si aproxima los fines de este proceso teniendo en cuenta los parámetros del elipsoide de referencia WGS84.
El paso siguiente está delimitado generar la misma grilla de puntos para las demás imágenes satelitales descargadas para el estudio de caso.
Pruebas y metodologías aplicables
La mayoría de las técnicas usadas, hacen uso de bandas en el infrarrojo, en el caso específico, y ente canal, específicamente se hará uso de la banda 10.3 μm y 11,2 μm. A demás, muchas otras comparaciones se han hecho entre el infrarrojo y el vapor de agua, por lo cual una banda optima para esta comparaciones se da con la banda 6,2 μm.
“En los niveles bajos, y debido a la absorción de vapor de agua atmosférico, las temperaturas de las nubes observadas en los canales de 6.2 μm y 7.3 μm son más bajas que sus temperaturas máximas en las bandas infrarrojas a 10.8 μm y 12.1 μm,
respectivamente, lo que representa, de hecho, el temperatura real sobre las nubes (Mishra et al., 2011; Thies et al., 2008d). Además, las nubes que alcanzan altos niveles
90 parecen brillar en las bandas de vapor de agua de manera similar en los canales
infrarrojos. Como resultado, las diferencias de temperatura de brillo (BTD) ΔT6.2-10.8 y ΔT7.3-12.1 toman valores negativos para nubes con cimas bajas y tienden a valores negativos pequeños para convección profunda con nubes altas.Entonces, incluimos estos dos parámetros en nuestro conjunto de características. En la misma mano, la diferencia de temperatura ΔT6.2-7.3 también se utilizó en este estudio porque puede estar
relacionada con la altura de las nubes (Giannakos y Feidas, 2012); Es en gran medida negativo para las nubes de nivel medio, y ligeramente negativo para las nubes altas y gruesas. Debido a la absorción de CO2 en el canal de 13.4 μm, y dado que la presencia de CO2 disminuye” (Tebbi & Haddad, 2016)
Para la aplicación de algunos postulados de diferencias de brillo de temperatura, se hicieron los siguientes pasos:
Procesamiento digital de las imágenes: Como se vió en el apartado anterior , cada imagen paso por un proceso de resampleo, una asignación de coordenadas y elipsoide de referencia y por ultimo un recorte del área de estudio , esto tanto para las imágenes de la banda 13 y la banda 8.
Escenarios: del rango de tiempo elegido y de las 36 imágenes procesadas, se eligieron 9 imágenes o también 3 momentos de tiempo para hacer las pruebas de validación. Los escenarios escogidos son el 17 de abril de 2019 a las 17:30 Z, la imagen 10 minutos antes y 10 minutos después. La hora 18:00 Z del mismo día con la imagen 10 minutos antes y después y por último la hora 19:10 Z con la imagen de 10 minutos antes y después.
91 Tabla 16: reportes seleccionados
Hora y Fecha Reporte
17/04/2019 17:35->
SPECI SKBO 171735Z 25008KT 190V340 9999 TS BKN020CB 17/12 A3030 WS R13L RMK CB VCSH/S/SW=
17/04/2019 18:00->
METAR SKBO 171800Z 25009KT 180V320 9999 3000SE -TSRA BKN020CB18/09 A3029 WS R13L RMK CB/S/SW=
17/04/2019 19:00->
METAR SKBO 171900Z 22008KT 9999 VCSH SCT020CB SCT200 18/13 A3025 RETSRA RMK CB VCSH/NW=
17/04/2019 19:10->
SPECI SKBO 171910Z 24008KT 8000 TS SCT017CB SCT080 17/12 A3024 RMK CB/VCSH NW=
Debido a que el área de interés es un área que no hace relevancia a la zona generada para el estudio de las imágenes satelitales (el espacio aéreo de toda Colombia) se observaron a aparte de los reportes METAR de Bogotá, también las tendencias de otros aeródromos y zonas del país para dar más precisión al trabajo. El contraste de esta información será de ayuda para poder dale una buena aplicabilidad a las metodologías aplicadas. Sin embargo esto no significa que los reportes METAR del aeródromo de Bogotá sean obsoletos, al contrario, también son una clara ayuda para detectar convección en el centro del país
Diferencia de brillos de temperatura: A continuación se describirán las imágenes procesadas y las imágenes que se realizaron como pruebas de la diferencia de brillos de temperatura.
92 Primer escenario
Para este momento se esperaban tormentas con presencia de nubes tipo CB para las 17:35 Z. Po ello miraremos el comportamiento de la dinámica atmosférica para Colombia en las horas 17:20, 17:30 y 17:40 Z
Tabla 17: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:20 Z
Nombre Imagen Descripción
Banda 8
Los topes nubosos en estas imágenes ( en negro ) tiene valores que van desde los 188 a los 218 °K. El brillo de temperatura en estas
imágenes es relativamente más bajo que el observado en las bandas del infrarrojo
Banda 13
Las bandas en el infrarrojo tienden a observar mejor las temperaturas de las nubes y sus valores de temperatura tiene brillos desde los 186 a 228 °K
93
Diferencia de brillo de temperatura
La diferencia de brillo de temperatura arroja resultados mínimos desde -1.47313 a - 2.81404 °K . Esto determina los núcleos convectivos que posiblemente generaran fenómenos adversos a las operaciones aéreas. La correlación de esta diferencia se puede contrastar con los bajos valores de temperatura presentes en la imagen infrarroja.
La tendencia a dos horas de las condiciones meteorológicas para el territorio colombiano de las 16:30 Z para el día 17 de abril de 2019, expedida por el Centro Nacional de Análisis y Pronóstico (CNAP) anunció que:
“SE ESPERA AUMENTO DE LA NUBOSIDAD EN EL SUR DE LA REGION CARIBE, GRAN PARTE DE LA REGION ANDINA Y CENTRO DE LA REGI[ON PACIFICA. DESARROLLO CONVECTIVO EN EL SURORIENTE DEL PAIS PRESENCIA DE TORMENTAS FRECUENTES”
Como podemos observar, aparece una muy buena correlación entre el pronóstico del fenómeno convectivo en el centro de la región Pacifica y la aparición de fenómenos adversos al sur del país.
94 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:30 Z
Durante este periodo de tiempo y más adelante, se reportaron tormentas eléctricas en Bogotá.
Tabla 18: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:30 Z
Nombre Imagen Descripción
Banda 8
Las propiedades radiativas tanto en la banda el infrarrojo y del vapor de Agua para este periodo de tiempo (17:30 Z) varían levemente con las imágenes anteriores. Esta variación hace que en la diferencia de brillo de temperatura ecxistan temepratura desde los 3°K hasta valores negativos
95
Banda 13
mínimos de -1°K. Esto significa que los topes nubosos de dichas nubes se encuentran por el nivel medio de superación , sobrepasando dicho nivel haciendo que los valores se tornen positivos.
97 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:40 Z
Tabla 19: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:40 Z
Nombre Imagen
Banda 8
Banda 13
99 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:50 Z
Tabla 20: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 17:50 Z
Nombre Imagen
Banda 8
100
101 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 18:00 Z
Tabla 21: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 18:00 Z
Nombre Imagen
Banda 8
102
103 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 18:10 Z
Tabla 22: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 18:10 Z
Nombre Imagen
Banda 8
104
105 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:00 Z
Tabla 23: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:00 Z
Nombre Imagen
106
Banda 13
108 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:10 Z
Tabla 24: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:10 Z
Nombre Imagen
109
Banda 13
111 - Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:20 Z
Tabla 25: Diferencia de brillo de temperaturas Hora 19:20 Z
Nombre Imagen
Banda 8
112
113
Las imágenes anteriores representan el procesamiento final teniendo en cuenta las bandas 8 y 13 del sensor ABI. Se hace evidente la detección de topes nubosos en zonas como el pacifico colombiano y los llanos orientales por ésta época del año. La importancia de este procso permite una mejor definición de los topes nubosos desde temperaturas positivas mínimas, que nunca superaron los 3°K , has temperaturas mínimas de máximo -1°K . Esta delimitación hace posible una buena identificación de estos núcleos sin tener en cuenta nubes de más altura que pueden ser vistos y confundidos como nubes convectivas , como las nubes tipo cirros.
Condiciones meteorológicas para el territorio Colombiano General :
Esta y otras variables se ven afectadas por fenómenos de escala global como los son la Celda de Hadley y la zona de convergencia intertropical (ZCIT). A esto le añadimos el
componente orográfico que presenta la zona andina y fenómenos a escala local como la
circulación tierra-mar y valle montaña. La región andina está compuesta por grandes extensiones de cadenas montañosas como la cordillera de los Andes, que favorecen el desarrollo de
fenómenos meteorológicos convectivos y presentan una mayor tasa de precipitación. La región Andina presenta una distribución bimodal; en Bogotá la temporada seca se intensifica en los
114 meses de diciembre, enero y febrero, y altas precipitaciones de marzo a junio y de septiembre hasta los finales de Noviembre (IDEAM).
Específicas para el día de estudio
Para validar el procesamiento generado en las imágenes satelitales y su debida diferencia de brillo de temperatura se contrasto con la información de tendencias a dos horas y a 6 horas generados por el Centro Nacional de Análisis y Pronósticos (CNAP).
- Tendencia a 2 horas (16:30Z)
Si bien la tendencia se hace para la TMA de Bogotá, también hace un pronóstico de las condiciones generales del país . Para Colombia, se estimaba la siguiente “se espera aumento de la nubosidad en el sur de la región caribe, gran parte de la región andina y centro de la región pacífica. Desarrollo convectivo en el suroriente del país presencia de tormentas frecuentes”
- Tendencia a 2 horas (18:30Z)
Para ésta tendencia , el CNAP reporto las siguientes condiciones
meteorológicas para Colombia: “nubosidad convectiva tipo CB sobre la región pacifica afectando principalmente el departamento del choco, los santanderes y los llanos orientales”
Dicha nubosidad convectiva fue corroborada con las imágenes satelitales y la DBT para ese tiempo
115
Figura 24: Banda infrarrojo con relaces , 18:30 Z 17 de Abril
Como se puede ver en la figura 23 se hace evidente la convectividad presente en el pacífico colombiano y los llanos orientales para el día 17 de abril de 2019 a las 18:30 Z.
Imágenes satelitales y su comportamiento
Tabla 26 : Descripción de evento puntual
116
La banda del infrarrojo e la más aproximada a la temperatura real de las nubes . Los topes nubosos se encuentran en rango desde los 182 a los 191°K
La banda del vapor de agua tiende a varias la temperatura de brillo de las nubes , es por ello que las temperaturas en el tope de nube hacen que se tenga una variación de temperatura
Los topes nubosos y la diferencia de brillos de temperatura deberían ser la definición de los grados kelvin negativos más pequeños. sin embargo ,e l software no presenta una buena delineación de los topes nubosos , teniendo en cuenta que el mínimo valor que logra detectar va desde brillos de temperatura positivos a mínimos de temperatura en -0.89 °K
La tabla 26 muestra imágenes con relaces en la banda 13, 8 y la diferencia de brillos de temperatura. Las principales falencias que se encuentran en el procesamiento se ven debido a la falta de clasificación más óptima para la detección sólo de valores mínimos cercano a valores de -0°K . Sin embrago, en las imágenes y en general en todas las
diferencias de brillos de temperatura, se detectaron núcleos convectivos que hacían buena referencia de las temperaturas más frías de las nubes.
117 Alcances y limitaciones
Los alcances que se presentan para el trabajo se plantean hasta la estandarización de una secuencia paso a paso que de pie a la estructura metodológica que se requiere para caracterizar las nubes de nuestro interés con el fin de que sean un verdadero insumo para las observaciones en el servicio meteorológico y que ésta metodología sirva de plataforma para la identificación de las nubes convectivas en la Aerocivil, contando previamente con pruebas de validación de la metodología de caracterización. Sin embargo, se hace necesario poner en práctica las técnica de brillos de temperatura con ayuda de procesos y herramientas como la inteligencia artificial o las máquinas de soporte vectorial para tener muchos más criterios a la hora de la detección de topes nubosos.
En cuanto a las limitaciones que se vieron durante la ejecución de la pasantía está ligada a el software de procesamiento utilizado en la aeronáutica civil (software MeteoStar LEADS) el cual es único, ya que sólo está dentro de las instalaciones del CNAP (Centro Nacional de
Análisis y Pronóstico). No fue posible la utilización de imágenes para periodos anteriores, es por ello que se optó por la utilización de software alternativo. Aunque el software utilizado no fue el más óptimo, si deja na clara evidencia de las potencialidades y las aplicaciones que se pueden llevar a cabo.
118 Conclusiones y recomendaciones
Las metodologías que se vieron a lo largo de este trabajo de pasantía son una manera viable y comprobable del procesamiento digital de imagen, que es en general una técnica que nos solo se aplica la superficie terrestre, también a la atmosfera. Las metodologías de brillos de temperatura es válido y totalmente aplicables a las imágenes GOES-16 proporcionadas a la Aerocivil, esto resaltando el hecho que los satélites utilizados en los trabajos muchos de ellos tienen características similares (o iguales como el señor AHÍ del satélite HIMAWARI-8).
Los núcleos convectivos presentaron diferencias debido a los amplios rangos con las temperaturas, sin embargo se hace una definición y una formación más definida de los topes nubosos con valores negativos para convección profunda, valores neutros para la altura de topes nubosos en la tropopausa y valores positivos para el sobre posición de la tropopausa por parte de las nubes convectivas.
Para una mejor delimitación de áreas de estudio y teniendo en cuenta que estos fenómenos convectivos son de una escala regional, se necesario conocer las condiciones generales, como las condiciones vistas en el trabajo teniendo en cuenta la tendencia bimodal de precipitación de Colombia. Solo conociendo el estado del tiempo de un aeródromo en específico, se hace un poco más complicado el seguimiento de actividad convectiva.
119 Bibliografía
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Gómez Gómez, E. L. (2014). Modelamiento y simulación de una subred de enlace de datos en VHF (VDL), para el soporte de servicios de tránsito aéreo bajo el concepto CNS/ATM en Colombia. Bogotá .
120 Gómez Gómez, E. L. (2014). Modelamiento y simulación de unasubred de enlace de datos
en VHF (VDL), para el soporte de servicios de tránsito aéreo bajo el concepto CNS/ATM