Programa Nacional de Boias

8 boias fixas | 2011-03-21 a 2016-05-24
296 boias de deriva | 2006-06-24 a 2016-05-24

Objetivos
Histórico
Medições
Fluxo de dados
Controle de qualidade
Referências

O Programa Nacional de Boias (PNBOIA) é parte componente do GOOS-Brasil. O PNBOIA consiste em uma rede de boias de deriva e fundeadas na região costeira, rastreadas por satélite, que visa fornecer dados meteorológicos e oceanográficos em tempo real para a comunidade científica e para uso pelo Serviço Meteorológico Marinho brasileiro. O PNBOIA trabalha na coordenação dos esforços de instituições nacionais e coopera com programas internacionais dos quais o Brasil é consignatário, como o ISABP (International South Atlantic Buoy Program) e o DBCP (Data Buoy Cooperation Panel).

O foco do PNBOIA é prover uma rede operacional de monitoramento da região costeira brasileira, através da análise dos dados coletados por boias de deriva e boias fixas fundeadas na região costeira, próximas a isóbata de 100 m. Por meio de inúmeros sensores, as boias fixas do PNBOIA podem coletar os seguintes dados ambientais:

  • Correntes da água do mar em várias profundidades (intensidade e direção);
  • Parâmetros de ondas (direção, altura, frequência, etc);
  • Vento;
  • Temperatura do ar;
  • Umidade relativa;
  • Ponto de orvalho;
  • Pressão;
  • Radiação solar;
  • Temperatura da água; e
  • Salinidade.

Os dados coletados são transmitidos em tempo real por telemetria de satélite para os sistemas do CHM, que são disponibilizados gratuitamente na internet e no GTS (Global Telecommunication System). Os dados são utilizados principalmente em apoio às atividades de meteorologia e oceanografia do Brasil, beneficiando os setores de Defesa Civil, Agricultura, Zona Costeira, Recursos Vivos, Validação de Dados de Satélites e de Modelos Numéricos para a Previsão Meteorológica e Oceanográfica, Atividades da Indústria do Petróleo e de Meio Ambiente, Instalações Offshore, Portos e Estruturas Costeiras, Transportes Marítimos, Segurança da Navegação e Salvaguarda da Vida Humana no Mar. O lançamento de boias fixas e de deriva pelo PNBOIA tem propiciado a produção de conhecimento científico e contribuído para o fornecimento de previsões oceanográficas e meteorológicas indispensáveis aos processos decisórios sobre a utilização eficaz dos recursos do mar e em caso de eventos extremos.

Para a operacionalização de uma rede robusta de coleta de dados ao longo de toda a costa brasileira foram definidas as ações afetas ao programa, tais como a ampliação e manutenção da sua rede de boias e operacionalização de um sistema de transmissão, processamento e divulgação dos dados. Considerando uma rede em que as informações precisam ser transmitidas em tempo real por boias dispostas ao longo de 8.500 km da costa brasileira, a confiabilidade no sistema e a consistência e qualidade dos dados são de extrema relevância. Esta confiabilidade se enquadra desde o correto e amplo armazenamento (através de data logger eficiente ou de um banco de dados robusto), a operação ininterrupta vinte e quatro horas, o envio periódico das informações (por telemetria de satélite) coletadas pelos sensores das boias até o processamento e qualificação dos dados para disponibilização ao usuário final (público e órgãos de previsão meteoceanográfica). Desta maneira, verifica-se que os dados coletados devem passar por cinco etapas principais: aquisição, transmissão, qualificação, armazenamento e divulgação.

Histórico


Em 1997, por ocasião da 133ª Sessão Ordinária da CIRM, foram aprovados o Programa Piloto GOOS-Brasil e o Programa Nacional de Boias com o objetivo de coletar dados oceanográficos e meteorológicos no Oceano Atlântico. O PNBOIA é um programa no âmbito do Programa de Monitoramento Oceanográfico e Climatológico do Plano Setorial para os Recursos do Mar (PSRM).

Desde então, a DHN, por meio do CHM, tem envidado esforços para estabelecer e manter a rede de boias fixas e de deriva que compõem o PNBOIA. Além da DHN, também são membros do Programa, a Secretaria da Comissão Interministerial para Recursos do Mar (SECIRM), o Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira (IEAPM), o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), a Universidade Federal do Rio Grande (FURG), o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IOUSP) e o Ministério de Minas e Energia (MME), totalizando oito instituições participantes.

Ainda em 1997, iniciando as atividades de campo do PNBOIA, ocorreu o lançamento de 15 boias de deriva na costa brasileira e foi dado início à aquisição da primeira boia fixa de fundeio do Programa, a boia SIMA-1, cujo lançamento se concretizou em setembro de 1999, no litoral de Cabo Frio no estado do Rio de Janeiro, representando um marco nas atividades de Meteorologia Marinha e Oceanografia para a Marinha do Brasil. Posteriormente, no final daquele mesmo ano, a Marinha viria a adquirir a boia meteoceanográfica que foi batizada de Minuano, fabricada pela empresa canadense Axys Technologies. A Minuano já era uma boia mais robusta e melhor preparada para a aquisição de dados em mar aberto e seu lançamento ao mar ocorreu em agosto de 2000, no litoral do Rio Grande do Sul. Em 2001, com menos de quatro anos de existência, o Programa já possuía 42 boias de deriva lançadas e duas boias meteoceanográficas fundeadas.

Em 2009, foram lançadas mais três boias, atendendo a parte sul do Programa. As boias foram batizadas com os nomes das três estrelas do cinturão da Constelação de Órion, as Três Marias: Alnilan, Mintaka e Alnitaka. Duas boias foram lançadas no litoral dos estados de Santa Catarina (boia Alnilan) e do Rio Grande do Sul (boia Mintaka). A terceira boia (costeira), denominada Alnitaka, foi lançada no litoral de Cabo Frio, no estado do Rio de Janeiro. Com a chegada de três novas boias, em 2010 e 2011, foi possível também realizar o lançamento de uma boia em Santos (2011), uma boia em Porto Seguro (2012) e uma boia em Recife (2012).

Grande esforço logístico da Marinha do Brasil tem sido dispendido para garantir a operação das boias meteoceanográficas fixas estabelecidas, por meio de manutenção preventiva, rodízio, manutenção corretiva e resgate.

O atual Plano de Trabalho do PNBOIA prevê a operacionalização de 10 boias meteoceanográficas fixas e fundeadas ao longo da costa brasileira (ver figura abaixo): Rio Grande, Santa Catarina, Santos, Cabo Frio, Baía de Guanabara, Vitória, Porto Seguro, Recife, Fortaleza e Belém.


Medições realizadas


O PNBOIA possui dois modelos de boias meteoceanográficas fixas em operação, 3-Meter (3M) e a Watchkeeper (WKB), ambas da Axys Technologies. A boia Watchkeeper possui um casco de polietileno com 1,7 m de diâmetro e é ideal para áreas costeiras e mais abrigadas. Atualmente, a boia deste modelo encontra-se fundeada nas proximidades da Baia de Guanabara.

As demais boias são do modelo 3M e possuem um casco de alumínio com 3 metros de diâmetro e 3,4 de altura. Este modelo foi projetado para operar em oceano aberto em condições de mar adversas. Devido à sua robustez, este modelo de casco é utilizado por diversas instituições internacionais relacionadas ao monitoramento meteoceanográfico, tais como o programa de boias do Canadá e o programa de boias norte-americano National Data Buoy Center (NDBC-NOAA).

A abaixo ilustra o ciclo de coleta de dados das boias da rede. As boias são configuradas para realizar um ciclo a cada hora, iniciando na hora cheia. Durante os primeiros vinte minutos de cada hora, as variáveis ambientais (i.e. ondas, vento, correntes, temperatura do ar, pressão atmosférica, etc.) são coletadas.

Nos cinco minutos subsequentes, os dados são processados, ou seja, realizadas as médias, estatísticas e análise dos dados de ondas. Após o processamento dos dados, a boia permanece 5 minutos estabelecendo contato com a rede de satélite para o envio dos dados. Durante a segunda metade de hora, a boia entra em modo de espera (stand by), a fim de economizar energia e aumentar a sua longevidade na água.

Esta fase de stand by é de extrema importância. Como a boia é alimentada por painéis solares, é nesse momento que a boia consegue recuperar a energia utilizada durante os vinte minutos de medição.

O PNBOIA encontra-se hoje em uma fase de plena expansão e, com isso, espera-se, num futuro próximo, a agregação de novos modelos de boias ao Programa, a exemplo da boia do Projeto SIODOC (Sistema Integrado de Obtenção de Dados Oceanográficos) que se encontra em fase de transição para o PNBOIA e já apresenta uma boia fundeada nas proximidades de Cabo Frio. Esses novos sistemas não necessariamente possuirão a mesma configuração de coleta e serão descritos à medida que forem agregados à rede.

Além dos dados coletados pela rede de boias fundeadas, o PNBOIA possui uma parceria com a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) para lançamento de boias de deriva no Atlântico Sul. Basicamente, estas boias coletam dados de correntes superficiais dos oceanos. Entretanto, sensores auxiliares podem ser instalados a fim de agregar valor ao equipamento, coletando dados de pressão atmosférica, temperatura da superfície do mar, salinidade superficial, direção e intensidade dos ventos.

Mais informações sobre a coleta e qualificação, bem como o download dos dados em tempo real, podem ser obtidas através do sítio da internet do Global Drifter Program (http://www.aoml.noaa.gov/phod/dac/index.php).

Nos itens a seguir, encontram-se descritas as diversas variáveis ambientais coletadas pelas boias fixas da rede, bem como alguns metadados importantes para utilização dos dados.

Meteorologia

Pressão Atmosférica

Pressão atmosférica é a pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície, geralmente medida por um barômetro em hPa (hectopascal). A pressão atmosférica e sua variação no tempo e espaço são cruciais para a análise sinótica e previsão meteorológica. Por este motivo todas as boias do PNBOIA estão equipadas com um barômetro.

Vento (Direção, Intensidade e Rajada)

A medida de vento é essencial para o Serviço Meteorológico Marinho brasileiro, com isso as boias do PNBOIA são equipadas com dois anemômetros, com exceção da boia costeira WKB, que possui apenas um. Os anemômetros ficam a 4,7 m e 3,7 m de altura da superfície do mar nas boias 3M e a 3,3 m da superfície do mar na WKB. Os dados disponibilizados são corrigidos para a altura de 10 metros, de acordo com a metodologia descrita por Liu et al. (1979).

Umidade Relativa

A Umidade Relativa do ar representa a relação, em porcentagem, entre a quantidade de partículas de água presentes no ar e o ponto de saturação do ambiente. A Umidade Relativa é mensurada, em conjunto com a temperatura do ar, através de um higrotermógrafo e é uma medida de extrema utilidade nas previsões meteorológicas.

Temperatura do Ar

A temperatura do ar é o parâmetro meteorológico mais comumente medido e sua importância reside na sua influência sobre os demais parâmetros meteorológicos (e.g. umidade relativa, intensidade e direção dos ventos, taxa de evaporação, etc).

Os termistores eletrônicos utilizados na medição da temperatura do ar são capazes de mensurar com precisão as alterações na resistência metálica do sensor causadas pelas variações de temperatura no ambiente.

Radiação solar

As boias são equipadas com um piranômetro que medem a Radiação Solar, que tem um papel importante nos processos físicos, químicos e, principalmente, biológicos que ocorrem na interface oceano-atmosfera. A radiação solar é um dos fatores chaves para a produção primaria na camada fótica do oceano, influenciando toda a cadeia de produção em uma escala regional.

Oceanografia

Correntes Oceânicas

O movimento dos oceanos é gerado por dois principais fatores: diferença de densidade e ventos. Na camada superior, os ventos são a principal forçante das correntes oceânicas. O monitoramento destes movimentos é essencial para a segurança de áreas onde ocorrem operações portuárias e atividade de extração de óleo e gás.

Todas as boias do programa são equipadas com um ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) de 400 kHz. Os ADCP são montados no casco da boia a 0,5 m abaixo da linha d'água, apontando para baixo. Esta configuração permite medir as correntes oceânicas em 20 camadas de 2,5 m cada na porção superior do oceano, com uma zona de branco de 5 m (figura abaixo). Desta maneira, é possível obter dados de correntes até quase 60 metros de profundidade.

Temperatura da Superfície do Mar

Dados de Temperatura da Superfície do Mar (TSM) são fundamentais para estudos os climáticos de transferência de calor e o papel dos oceanos na moderação do clima. Além disso, a TSM é um dos fatores chave para a previsão de eventos extremos, como furacões e ciclones. A TSM é obtida através do sensor de temperatura interno ao ADCP, por este motivo o dado é, na pratica, referente à camada de 0,5 m abaixo da linha d'água.

Ondas (Parâmetros direcionais e não direcionais de ondas)

Apesar de sua ampla utilização nos meios científicos e de previsão meteorológica, a medição de ondas é uma das mais complexas variáveis meteoceanográficas monitoradas pelo PNBOIA. As boias utilizam o sensor direcional de ondas Triaxys™, equipado com três acelerômetros e três sensores angulares, que lhe permitem medir com precisão as acelerações nos eixos ortogonais x, y e z, bem como os movimentos de pitch, heave e roll.

As medidas de ondas são divididas em direcionais e não direcionais (Altura Máxima (Hmax), Altura Significativa (Hs), Período, Frequência, etc). Os dados são pré-processados no módulo interno das boias e enviados, via telemetria por satélite, apenas os dados estatísticos resultantes desta analise preliminar. Os dados espectrais brutos ficam armazenados na memória interna da boia e são acessados periodicamente por ocasião da manutenção e/ou recolhimento das boias.

Fluxo de dados

Todos os dados coletados pelo PNBOIA seguem o fluxo apresentado na figura abaixo. Os dados são adquiridos pelas boias e transmitidos via telemetria. A transmissão pode ser feita por uma ou mais das formas apresentadas abaixo.

Os dados são recebidos no servidor do PNBOIA onde são qualificados em tempo real e, posteriormente, manualmente. Os dados já qualificados seguem então dois caminhos:

  • armazenamento; e
  • disponibilização aos usuários via GTS ou página da internet.

Em decorrência dos diferentes níveis de confiabilidade associados à metodologia de acesso aos dados, estabeleceu-se uma hierarquia para os dados de acordo com o tipo de transmissão utilizada. Os dados provenientes dos cartões de memória possuem prioridade 1, entretanto como não podem ser acessados em tempo real seus dados são carregados no banco periodicamente. Os dados transmitidos via satélite possuem prioridade 2.

Controle de qualidade dos dados


A complexidade de cada algoritmo está relacionada com o tipo de dado a ser qualificado. Existe uma tendência natural dos testes e algoritmos se tornarem mais robustos e confiáveis ao longo do tempo. Desta forma, o feedback dos usuários é essencial para progressivamente aprimorar a qualidade dos dados disponibilizados.

A sistemática da qualificação automática de dados se baseia em comparar as medições com limites ou padrões previamente estabelecidos. Caso o valor medido exceda o limite ou não se encaixe no padrão, recebe um soft ou hard flag.

Um hard flag é aplicado a um dado quando não há duvidas quanto à sua má qualidade. Após ser marcado com um hard flag, o dado não é disponibilizado ao público, exceto se sua marcação for retirada através de uma intervenção manual de um analista qualificado. O soft flag é atribuído aos dados que possuem indícios que questionam sua qualidade. Ao ser marcado com um soft flag, o dado é disponibilizado ao publico e periodicamente avaliado pelo analista para definir a sua veracidade.

Alguns testes são interdependentes, ou seja, alguns testes-base são pré-requisitos para a execução dos demais testes. Exemplo, caso o dado seja marcado como espúrio durante o teste de verificação do tempo, ele não prossegue pelas demais rotinas, sendo descartado. Outro fator importante a ser considerado é a intima relação de algumas variáveis. Por exemplo, caso a intensidade do vento seja identificada com algum problema é muito provável que os dados de rajada também estejam degradados.

Os testes de Controle de Qualidade aplicados nos dados do PNBOIA são referenciados na Documentação Técnica n° 09-02 do National Data Buoy Center (NDBC).

Liu et al., 1979: Bulk parameterization of air-sea exchanges in heat and water vapor including molecular constraints at the interface, Journal of Atmospheric Science, 36, pp. 1722-1735..