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O Programa "Ocean to Climate Seamless Forecasting System" desenvolve a nova geração de bóias à deriva de superfície

Primeiro Instituto de Oceanografia (FIO), China, 01.02.2023

Nova geração de bóia à deriva do Sistema Global de Navegação por Satélite desenvolvido pelo Primeiro Instituto de Oceanografia da China

Através do seu Programa da Década dos Oceanos "Sistema de Previsão Ocean to Climate Seamless Forecasting System (OSF)", o Primeiro Instituto de Oceanografia (FIO) do Ministério dos Recursos Naturais da China criou a nova geração de bóias à deriva do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS). Sendo extremamente económica, de alta precisão e inteligente, a bóia de deriva de superfície GNSS desenvolvida proporciona oportunidades significativas para uma melhor observação e monitorização dos oceanos.

A bóia de superfície GNSS de nova geração criada pelo Professor Fangli Qiao, Investigador Principal do Programa OSF e Director Geral Adjunto da FIO, e sua equipa, utiliza sinais livres dos satélites GNSS para obter com precisão 10 variáveis importantes: posição geográfica, tempo, altura da onda superficial, período e direcção, velocidade e direcção da corrente superficial, temperatura da superfície do mar, salinidade da superfície do mar, e conteúdo de vapor de água atmosférico.

Este feito baseia-se em anos de investigação seminal liderada pelo Prof. Qiao, também membro do Conselho Consultivo da Década dos Oceanos, que demonstrou como as ondas oceânicas de pequena escala desempenham um papel crucial na circulação oceânica em grande escala e no sistema climático, através da modulação da mistura dos oceanos superiores e dos fluxos ar-marinhos. Por esta razão, a observação de ondas oceânicas de superfície tem um significado vital em si mesma, também na circulação oceânica em grande escala e nas alterações climáticas globais.

Ao longo da história, houve três grandes revoluções na observação global dos oceanos. Em 1978, o primeiro satélite oceânico a cores tornou possível pela primeira vez a observação síncrona dos oceanos em grande escala. Nos anos 80, começou o desenvolvimento de matrizes de bóias tropicais, e foi estabelecida a rede global de observação contínua em grande escala de pontos fixos tropicais, o que melhorou consideravelmente as capacidades de monitorização e previsão da Oscilação El Niño-Sul. No início do século XXI, foi lançada uma iniciativa global de observação oceânica - Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo). Actualmente, cerca de 4.000 bóias Argo estão em funcionamento nos oceanos globais, observando um perfil vertical aproximadamente a cada 10 dias, e tornando a monitorização do oceano em tempo real em três dimensões uma realidade. O Programa Argo também faz parte do Sistema Global de Observação dos Oceanos (GOOS), co-liderado pela Comissão Oceanográfica Intergovernamental da UNESCO. O elevado custo continua a ser o gargalo e o grande desafio da observação oceânica, embora tenham sido feitos esforços tremendos e uma série de realizações técnicas.

Desde 2016, através de uma profunda cooperação multidisciplinar marinha e utilizando satélites GNSS incluindo o BeiDou, a equipa do Prof. Qiao tem feito avanços técnicos no design de hardware de bóia e processamento de dados. Estes incluem uma única estação GNSS de baixo custo, determinação em tempo real de alta precisão da velocidade e posição em linha, inversão em tempo real em linha de múltiplos elementos, incluindo elementos de onda e conteúdo de vapor de água, expansão de largo espectro e captura do espectro de ondas, transmissão e controlo de codificação multi-elementos integrados com o satélite BeiDou Short Message Communication (SMC), optimização de algoritmos de baixa potência e alto desempenho, miniaturização de bóias e optimização de seguimento de ondas, e muito mais. Tais progressos melhoraram consideravelmente a precisão da inversão, evitaram o custo dos serviços de correcção diferencial de precisão, e reduziram drasticamente a carga de comunicação.

Os resultados de várias experiências de observação de campo e comparações demonstram como a precisão desta nova bóia inovadora está ao nível de outros instrumentos de medição de ondas comummente utilizados, tais como o Waverider, indicando apenas uma diferença de nível de centímetro. Os custos de observação também foram drasticamente reduzidos: o custo da bóia GNSS é 90% mais baixo. Por outras palavras, o custo de observação da nova bóia GNSS é inferior a 10% do sistema actual.

Este aspecto financeiro é particularmente relevante, pois tem dificultado a implantação de um sistema abrangente de observação oceânica. Apesar de progressos notáveis nos últimos 45 anos, as observações oceânicas ainda enfrentam desafios de custos elevados e cobertura escassa, o que dificulta directamente a compreensão científica dos processos oceânicos e a capacidade de prever o oceano e o clima. De facto, o oceano superior e a atmosfera inferior não só estão estreitamente relacionados com as actividades humanas no mar, como também são fundamentais para a compreensão das alterações climáticas.

Com base nas suas descobertas iniciais, o Prof. Qiao e a sua equipa estão a desenvolver quatro tipos de bóias GNSS. As bóias GNSS tipo A são a configuração básica, que pode obter as 10 variáveis acima, simultaneamente. As bóias GNSS tipo B são capazes de capturar mais cinco variáveis atmosféricas, ou seja, velocidade e direcção do vento, temperatura, humidade e pressão do ar. Através da utilização de um grande número de bóias de tipo B GNSS, a observação em tempo real dos fluxos globais de ar-mar em grande escala tornar-se-á uma realidade, e a contribuição das ondas de superfície será considerada exactamente no cálculo dos fluxos de ar-mar. As bóias Type-C GNSS podem medir a temperatura e estrutura da salinidade da água do mar de 0 a 300 metros, para além das 10 variáveis convencionais, bem como capturar com precisão as ondas internas dos oceanos, graças ao software de controlo de inteligência artificial. Entretanto, as bóias Tipo-D GNSS, além das 10 convencionais, podem medir o ruído subaquático, que pode ser utilizado para monitorizar mamíferos marinhos e proteger a ecologia marinha.

A nova bóia GNSS desenvolvida pela FIO é inteligente, o que significa que pode automaticamente realizar observações intensivas em qualquer altura de acordo com as necessidades, tais como grandes áreas de ondas, ondas internas, riscos oceânicos e muito mais. No futuro, através de novos avanços tecnológicos, terá também como objectivo detectar remoinhos, e medir com precisão os níveis globais da maré, salvaguardando ainda mais as comunidades costeiras vulneráveis em todo o mundo.

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Leia o artigo completo:

Liu et al. 2022. Medições precisas em tempo real de ondas de superfície oceânica usando a abordagem variométrica GNSS. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125

 

Para mais informações, queira contactar:

Dr. Li Li, Director do Departamento de Cooperação Internacional; Cientista Sénior, Primeiro Instituto de Oceanografia, Ministério dos Recursos Naturais
li.li@fio.org.cn