@PhDThesis{Magina:2016:SiAlOc,
author = "Magina, Fl{\'a}vio de Carvalho",
title = "Sistema de alerta de ocorr{\^e}ncia de raios utilizando rede de
sensores de campo el{\'e}trico atmosf{\'e}rico",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2016",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2016-02-25",
keywords = "rel{\^a}mpagos, raios, descargas atmosf{\'e}ricas, sistemas de
alerta de raios, sensores de campo el{\'e}trico atmosf{\'e}rico,
lightning, lightning flash, atmospheric electric discharges,
lightning warning systems, atmospheric electric field sensors.",
abstract = "H{\'a} evid{\^e}ncias de que o clima global est{\'a} mudando e
aumentos de eventos extremos, como tempestades severas, est{\~a}o
previstos para o futuro. As descargas el{\'e}tricas
atmosf{\'e}ricas, mais precisamente as descargas nuvem-solo ou
raios, s{\~a}o uma caracter{\'{\i}}stica das tempestades que
causam perdas de vidas e danos aos empreendimentos e que, tendem a
aumentar com o aumento das tempestades. No Brasil, morrem mais de
uma centena de pessoas por ano atingidas por raios e
preju{\'{\i}}zos econ{\^o}micos anuais de cerca de um
bilh{\~a}o de Reais s{\~a}o contabilizados pelo setor
el{\'e}trico em danos em equipamentos e instala{\c{c}}{\~o}es
atingidos por raios. Como consequ{\^e}ncia destes fatos, uma
cresceste demanda por sistemas de monitoramento e alerta da
ocorr{\^e}ncia de raios tem sido verificada. A tecnologia de
monitoramento de raios conta hoje com os sistemas de
localiza{\c{c}}{\~a}o de descargas atmosf{\'e}ricas que podem
localizar com precis{\~a}o a ocorr{\^e}ncia de raios e assim
reportar a aproxima{\c{c}}{\~a}o de uma tempestade de uma
{\'a}rea onde se deseja proteger as pessoas e o patrim{\^o}nio.
Entretanto, estes sistemas s{\~a}o complexos, caros e de
dif{\'{\i}}cil manuten{\c{c}}{\~a}o. Al{\'e}m disso, s{\'o}
conseguem reportar a ocorr{\^e}ncia do raio depois que o mesmo
ocorreu. Uma outra forma de se detectar a aproxima{\c{c}}{\~a}o
de uma tempestade com potencial para o desenvolvimento de raios
{\'e} medindo o campo eletrost{\'a}tico local utilizando
sensores projetados para tal fim. Os dispositivos conhecidos como
Field Mill ou sensor EFM podem detectar varia{\c{c}}{\~o}es no
campo el{\'e}trico atmosf{\'e}rico quando da
aproxima{\c{c}}{\~a}o de uma tempestade com atividade
el{\'e}trica a uma dist{\^a}ncia de at{\'e} vinte
quil{\^o}metros. Os sistemas de alerta baseados nas
medi{\c{c}}{\~o}es de sensores EFM s{\~a}o os {\'u}nicos com
capacidade para emitir alertas antes da ocorr{\^e}ncia do
primeiro raio dentro da {\'a}rea de prote{\c{c}}{\~a}o. Os
sensores EFM s{\~a}o dispositivos mais simples e de menor custo
se comparados com os sistemas de localiza{\c{c}}{\~a}o de
descargas atmosf{\'e}ricas. Por{\'e}m, as suas
medi{\c{c}}{\~o}es s{\~a}o fortemente influenciadas pelas
caracter{\'{\i}}sticas do local onde se encontram instalados
(altura do centro de carga das nuvens de tempestade na
regi{\~a}o, topografia, obstru{\c{c}}{\~o}es, etc.), o que pode
resultar em baixos {\'{\i}}ndices de alarmes efetivos ou altos
{\'{\i}}ndices de alarmes falsos ou n{\~a}o reportados.
V{\'a}rios sistemas de alerta foram constru{\'{\i}}dos, em
v{\'a}rios locais do mundo, com base em medi{\c{c}}{\~o}es
pontuais de sensores EFM, na maioria dos casos de um {\'u}nico
sensor instalado no local para o qual se deseja
prote{\c{c}}{\~a}o. Esta configura{\c{c}}{\~a}o {\'e} afetada
pelas limita{\c{c}}{\~o}es inerentes da medi{\c{c}}{\~a}o
pontual. Uma rede com onze sensores EFM foi integrada na
regi{\~a}o de S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos, Sudeste do Brasil,
com o prop{\'o}sito de fornecer medi{\c{c}}{\~o}es de campo
el{\'e}trico atmosf{\'e}rico em tempo real para o
desenvolvimento de um sistema experimental de alerta de raios. Com
as medi{\c{c}}{\~o}es coletadas por esta rede, no ver{\~a}o de
2013-2014 (no hemisf{\'e}rio sul), foi desenvolvida e avaliada
uma solu{\c{c}}{\~a}o inovadora, para estrutura{\c{c}}{\~a}o
de um sistema de alerta de raios, utilizando medi{\c{c}}{\~o}es
interpoladas espacialmente adquiridas da rede de sensores EFM e
formatadas como matrizes de pontos de grade regularmente
espa{\c{c}}ados. O processo de interpola{\c{c}}{\~a}o tende a
suavizar as medi{\c{c}}{\~o}es de campo el{\'e}trico
atmosf{\'e}rico, reduzindo assim os efeitos indesejados das
medi{\c{c}}{\~o}es pontuais, resultando em uma maior efetividade
dos alertas que se baseiam neste tipo de informa{\c{c}}{\~a}o.
Os resultados da avalia{\c{c}}{\~a}o da efetividade dos alertas,
com base nas medi{\c{c}}{\~o}es espacialmente interpoladas,
mostraram uma excelente resposta na aplica{\c{c}}{\~a}o do
m{\'e}todo, com altos valores para os {\'{\i}}ndices
estat{\'{\i}}sticos de alarmes efetivos e baixos
{\'{\i}}ndices de alarmes falsos e n{\~a}o reportados, quando
comparado com as avalia{\c{c}}{\~o}es encontradas na literatura
para sistemas baseados em medi{\c{c}}{\~o}es pontuais. Estes
resultados fomentam a continuidade desta investiga{\c{c}}{\~a}o,
abrindo perspectivas para trabalhos futuros utilizando o
m{\'e}todo proposto e avaliado nesta tese. ABSTRACT: There is
evidence that the global climate is changing and extreme events
increases, as severe storms are expected in the future.
Atmospheric electrical discharges, specifically the
cloud-to-ground discharge or lightning, are a feature of storms
that cause loss of life and damage to property and tend to
increase with the increase of storms. In Brazil, over a hundred
people a year are killed by lightning and annual economic losses
of about one billion Reais are recorded by the electricity power
sector in damage to equipment and facilities struck by lightning.
Because of these facts, one grown demand for lightning monitoring
and warning systems have been verified. The lightning monitoring
technology currently has the lightning location systems that can
locate the occurrence of lightning and thus report a storm
approach of an area where people and property must be protected.
However, these systems are complex, expensive and difficult to
maintain. In addition, they can only report the lightning
occurrence after it occurred. Another way to detect a storm
approach with potential for developing lightning is measuring the
local electrostatic field using sensors properly designed for this
purpose. Devices known as Field Mill or EFM sensor can detect
variations in the atmospheric electrostatic field when there is a
storm approach with electrical activity at a distance of up to
twenty kilometres. Lightning warning systems based on EFM sensors
measurements are the only one able to issue warnings before the
first lightning discharge occurrence within the protected area.
The EFM sensors are simple devices and have lower cost compared
with the lightning location systems. However, their measurements
are strongly influenced by the characteristics of the site where
they are installed (the charge centre height of storm clouds in
the region, topography, obstructions, etc.), which may result in
low rates of effective alarms or high rates of false alarm or not
reported lightning. Several warning systems have been built in
various parts of the world based on local measurements of EFM
sensors, in most cases a single sensor installed at the site to be
protected. This configuration is affected by the inherent
limitations of local measurements. A network with eleven EFM
sensors were integrated in the region of S{\~a}o Jos{\'e} dos
Campos, south-eastern Brazil, with the purpose of providing
atmospheric electrostatic field measurements in real time in order
to support the development of an experimental lightning warning
system. With measurements collected by this network in the summer
of 2013-2014 (in the South Hemisphere), an innovative solution was
developed and evaluated for a lightning warning system developing,
using spatially interpolated measurements, acquired from the EFM
sensors network, formatted as arrays of grid points regularly
spaced. The interpolation process tends to smooth out the
measurements of atmospheric electrostatic field, thereby reducing
the unwanted effects of discontinuous measurements, resulting in
greater effectiveness of the alerts that are based on this type of
information. Results of the evaluation of the effectiveness of
alerts based on spatially interpolated measurements showed an
excellent response in the method, with high rates for the
statistical indices of effective alarms and low rates of false and
not reported alarms if compared with assessments found in the
literature for systems based on local pointed measurements. These
results encourage the continuation of this research, opening up
prospects for future work, using the proposed and evaluated method
presented in this thesis.",
committee = "Alval{\'a}, Pl{\'{\i}}nio Carlos (presidente) and Pinto Junior,
Osmar (orientador) and Naccarato, Kleber Pinheiro (orientador) and
Saraiva, Antonio Carlos Varela and Ferro, Marco Antonio da Silva",
copyholder = "SID/SCD",
englishtitle = "Lightning warning system using atmospheric electric field sensors
network",
language = "pt",
pages = "154",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3L6ACE5",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3L6ACE5",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}