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SAR (Synthetic Aperture Radar ou Radar de Abertura Sintética) é o único sensor transportado por satélites capaz de medir o espectro direcional de ondas. Sua elevada cobertura espacial e temporal permite caracterizar o estado de mar, especialmente a região de baixa frequência do espectro de energia, que vem sendo assimilada em modelos numéricos de previsão de ondas em diversos centros operacionais espalhados pelo globo. Contudo, a extração do espectro de ondas de uma imagem SAR é um procedimento complexo. Alguns modos de operação não permitem o emprego de imagens sequenciais para resolver a ambiguidade direcional de propagação das ondas, o que requer informações adicionais, geralmente obtidas de um modelo de ondas. A dependência destas informações adicionais é investigada aplicando-se a inversão clássica de Hasselmann a alguns estados de mar teóricos. Esta abordagem é baseada na transformação analítica do espectro direcional de ondas sobre o espectro de imagem SAR correspondente. A solução deste problema inverso é determinada por um algoritmo numérico que minimiza um funcional não linear. Apesar de amplamente utilizado por diversos centros operacionais de previsão, este método não foi extensivamente testado em cenários experimentais bem definidos. Os resultados mostram que a dependência investigada é bastante significativa, sobretudo no que diz respeito à direção de propagação das ondas, levantando questionamentos sobre a acurácia da técnica. Synthetic Aperture Radar (SAR) is the only sensor to date on-board satellites able to measure the directional wind wave spectrum. Its high spatial and temporal coverage allows the characterization of the sea state, especially at the low frequency region of the energy spectrum, which has been assimilated into numerical models at several operational centres world wide since the late 1990's. However, the extraction of the wave spectrum from a SAR image is a complex task. Not all imaging modes allow the use of sequential images to resolve the wave directional ambiguity, requiring some sort of additional, first guess information, in general from a wave model. The dependency of the wave retrieval on this first guess is investigated applying the classical Hasselmann inversion to some simple, theoretical, sea states. This approach is based on the analytical transformation relating the wind wave variance spectrum to its correspondent SAR image spectrum. The solution of this inverse problem is determined by a numerical algorithm, which minimizes a non-linear function. Although widely employed at operational forecasting centres, the method has not been extensively tested in experimental, well defined, situations. The results show that the first guess wave direction is fundamental to the reliability of the results obtained, raising questions about the accuracy of the technique.

A new methodology to estimate the period and direction of monochromatic surface gravity waves is presented based on the processing of a sequence of images. The analysis focuses on the spatial-temporal variability of brightness on the image plane. One camera only is employed to record the water surface. The main motive is to come up with a simplified and practical configuration which allows its operational implementation either on the laboratory or on oil platforms or on top of buildings. The promising results correspond to experiments in a monochromatic wave tank. The image processing technique has proven to be a valuable tool for wave measurements. Uma nova metodologia para a obtenção do período e direção de propagação de ondas de gravidade monocromáticas é apresentada baseada no processamento digital de sequencias de imagens. A análise fundamenta-se nos padrões espaço-temporais apresentados pelo brilho no plano da imagem. Foi empregado apenas um ponto de vista da cena visualizada, ou seja, processou-se imagens de somente uma câmera. A principal motivação é apresentar uma configuração simplificada e prática que permita a implementação operacional da medição, tanto em laboratório quanto em plataformas de petróleo ou no alto de prédios. Os resultados obtidos pela técnica aqui proposta são considerados promissores e correspondem a experimentos realizados em um tanque de ondas monocromáticas. O erro máximo na determinação do período de onda obtido foi de 0.06 segundos e na direção de propagação 7.80º. O processamento de imagens demonstra ser uma ferramenta valiosa para a medição dos parâmetros de período e direção de ondas.

Spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) is to date the only source of two-dimensional directional wave spectra with continuous and global coverage when operated in the so-called SAR Wave Mode (SWM). Since the launch in 1991 of the first European Remote Sensing Satellite ERS-1, and more recently with ENVISAT, millions of SWM imagettes containing detailed spectral information are now available in quasi-real time. This huge amount of directional wave data has opened up many exciting possibilities for the improvement of our knowledge of the dynamics of ocean waves. However, the retrieval of wave spectra from SAR images is not a trivial exercise due to the nonlinearities involved in the mapping mechanism. In this paper we review the main features of the SAR ocean wave imaging mechanisms and give a detailed description of the Max-Planck Institut (MPI) retrieval algorithm which is running operationally at the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Some examples of retrieved spectra are compared against directional buoy measurements obtained in deep water in the South Atlantic and against WAM spectra. The main characteristics of the MPI retrieval scheme are discussed and some of its deficiencies and strengths are identified., El radar de abertura sintética (SAR) operado desde satélite es actualmente el único medio que permite calcular espectros direccionales de oleaje bidimensionales de forma global y continua, cuando se opera en el denominado modo SAR de oleaje (SWM). Desde el lanzamiento en 1991 del primer Satélite Europeo de Observación de la Tierra (ERS-1), y más recientemente con el ENVISAT, millones de pequeñas imágenes SWM con información espectral detallada están disponibles en tiempo casi real. Esta enorme cantidad de datos de oleaje direccional ha abierto numerosas posibilidades a la mejora de nuestro conocimiento de la dinámica del oleaje oceánico. Sin embargo, la obtención del espectro de oleaje a partir de imágenes SAR no es un ejercicio trivial a causa de las no-linealidades que aparecen en el cálculo. En este artículo revisamos las principales características de los mecanismos de visualización del oleaje por parte del SAR, con una descripción detallada del algoritmo de recuperación del Instituto Max- Planck (MPI) que utiliza de forma operacional el Centro Europeo de Predicción del Tiempo a Medio Plazo (ECMWF). Algunos ejemplos de espectros obtenidos por este método son comparados con los obtenidos a partir de medidas realizadas por boyas de oleaje direccionales en aguas profundas del Atlántico sur.

Submitted by Daniele Fonseca (daniele@ct.ufrj.br) on 2020-07-10T11:55:21Z No. of bitstreams: 1 UggoFerreiraDePinho-min.pdf: 6415412 bytes, checksum: dc050649cafacfb58b274557b01c0e79 (MD5) Made available in DSpace on 2020-07-10T11:55:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 UggoFerreiraDePinho-min.pdf: 6415412 bytes, checksum: dc050649cafacfb58b274557b01c0e79 (MD5) Previous issue date: 2018-06 Ondas oceânicas geradas pelo vento são multi-direcionais, mesmo se a direção do vento é constante. Direcionalidade pode ocorrer devido a superposição de ondas de cristas longas se propagando com um ângulo entre elas. Modulação lateral das cristas, porém, desempenha um papel importante em ondas estritamente unidirecionais devido a efeitos não-lineares. Na presente tese, investiga-se a direcionalidade e evolução de ondas de cristas-curtas, inicialmente unidirecionais. Para tal propósito, foram elaborados dois experimentos sobre instabilidade lateral de ondas monocromáticas, propagando em águas profundas. Nestes, ondas de cristas longas foram geradas com um ampla faixa de esbeltez e o surgimento da instabilidade modulacional foi analizado e quantificado. A modulação transversal das cristas foi evidente, sua magnitude mostrou-se dependente da esbeltez na direção de principal propagação e do número de ciclos propagados e sua escala espacial comparável ao comprimento de ondas da onda principal. Assim, o fenômeno de ondas de cristascurtas é uma característica inerente às ondas não-lineares e devem ser levada em conta quando da estimativa das propriedades direcionais das ondas oceânicas. Os resultados das análises do grande conjunto de dados gerado é apresentado quantificando parâmetros de ondas relacionados a instabilidade modulacional, a saber: 1) razão entre maximos e mínimos de cristas; 2) razão entre máximos de cristas e crista média inicial; 3) comprimento de ondas transversal da modulação foram calculados e comparados com comprimento de ondas logitudinal. E apresentada também uma análise estatistica dos parâmetros de ondas relacionados aos efeitos não-lineares em ondas com grande esbeltez. Ocean waves forced by the wind are multi-directional, even if the wind direction is steady. Directionality can occur due to the superposition of long-crested waves propagating at an angle to each other. Lateral modulation of the wave crests, however, also takes place for strictly unidirectional waves, due to nonlinear effects. In this research, the short-crestedness of unidirectional waves is investigated; for this purpose, two experiments on the lateral instability of monochromatic, deep water waves were performed in a large wave basin. In these two tests, long-crested waves were generated with a variety of wave steepnesses, and the emergence and evolution of the modulational instability was quantified and analyzed. The cross-modulation of wave crests was clearly visible, its magnitude depending on the wave steepness in the wave propagation direction and on how many wave cycles the waves travelled. Its spatial scale is comparable with the wavelength. Thus, short-crestedness is an inherent feature of nonlinear waves and should be taken into account when estimating directional properties of ocean waves. The results of the analysis of the set of nonlinear waves generated is presented by quantifying special wave characteristics and parameters related to the modulational instability, namely: 1) the ratio between maximum and minimum amplitude in a single wave crest, 2) the ratio of maximum crest versus mean initial wave crest, and 3) transversal length of the crest modulation were calculated and compared with longitudinal wavelength. It is presented statistics analysis on wave parameters related with nonlinear effects on steep waves, such as wave height and period distributions, and breaking limit and spectral analysis of nonlinear waves.

Submitted by Daniele Fonseca (daniele@ct.ufrj.br) on 2020-07-17T12:40:56Z No. of bitstreams: 1 FernandoRoversi-min.pdf: 6685685 bytes, checksum: 23663fc964f4b56e97485dcdda4c88b9 (MD5) Made available in DSpace on 2020-07-17T12:40:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FernandoRoversi-min.pdf: 6685685 bytes, checksum: 23663fc964f4b56e97485dcdda4c88b9 (MD5) Previous issue date: 2018-09 Em regiões costeiras ocupadas por amplos agrupamentos de fazendas de aquicultura em viveiros escavados, a combinação de estratégias de manejo hídrico efetuadas isoladamente em cada unidade de cultivo pode provocar efeitos cumulativos sobre corpos d’água estuarinos, de difícil análise e prognóstico. Neste trabalho foi utilizado o modelo Delft3D para avaliar alterações em processos hidro-morfodinâmicos numa lagoa costeira hipotética. Posteriormente, foram desenvolvidos cenários de modelagem para a investigação de impactos no caso do Sistema Lagunar de Guaraíras - RN, incluindo também a modelagem de qualidade de água. A partir de um modelo ODDBO, foi implementado um gerador estocástico de vazões de efluentes da carcinicultura, capaz de prover uma representação da dinâmica regional de cargas poluentes geradas durante a despesca do camarão. Dentre os resultados alcançados, destacam-se os seguintes pontos: i) estratégias de padronização do tamanho dos viveiros em diferentes proporções não implicam em alterações significativas no risco de depleção de Oxigênio Dissolvido no sistema; ii) reduções na periodicidade dos ciclos produtivos degradam os padrões de qualidade de água das lagoas; iii) a longo prazo, a captação de água das lagoas pela atividade de carcinicultura implica no aumento da importação de sedimentos para o sistema, porém sua influência sobre processos sedimentológicos é reduzida conforme a morfologia lagunar se aproxima de um estado de equilíbrio; iv) a operação de renovação da água das fazendas, se efetuada de forma sincronizada com a oscilação da maré, mostra-se capaz de alterar o estado natural de equilíbrio morfológico esperado do sistema. In coastal regions occupied by large clusters of aquaculture farms operating with excavated ponds, the combination of water management strategies individually performed in each cultivation unit may generate cumulative effects on estuarine water bodies, which analysis and prediction become of difficult interpretation. In this study, Delft3D model was used to evaluate hydro-morphodynamic processes alterations in a hypothetical coastal lagoon. Further, modeling scenarios were implemented to investigate impacts in the Guaraíras Lagoon System case (RN, Brazil), including water quality modeling analysis. A stochastic generator of shrimp farming effluent discharges was developed, and coupled to a DO-BOD model, in order to represent the regional dynamics of pollutant loads produced during the shrimp harvesting in each pond. Among the results achieved in this work the following finds are highlighted: i) strategies to standardize pond size at different proportions do not expressively change the risk of Dissolved Oxygen depletion in the system; ii) reductions in the periodicity of culture cycles degrade lagoons water quality; iii) in the long term, estuarine water intake operations performed by shrimp farming activity increase sediment importation to the system, but the impact on sedimentological processes is reduced as the lagoon’s morphology approaches an equilibrium state; iv) water exchange operations performed by aquaculture farms may change the expected natural morphological equilibrium state of an estuarine system, especially if carried out synchronously to the local tidal oscillation.