Complexos Convectivos de Mesoescala (CCM) são eventos meteorológicos de difícil previsão, que resultam em tempestades severas e desastres. O objetivo deste trabalho é indicar as características em grande escala do ambiente atmosférico favorável para a formação de CCM no Sul do Brasil, entre 1998 e 2007. Fez-se uso da base de dados de CCM de Durkee e Mote (2009), assim como das variáveis de Potencial de Energia Convectiva Disponível (CAPE), ponto de orvalho, temperatura, altura geopotencial, componentes de vento u e v e umidade relativa da reanálise do National Center for Environmental Prediction (NCEP) Climate Forecast System Reanalysis (CFSR), coletadas entre 2,5 e 5,5 horas antes do desenvolvimento dos CCM. Com o método de Análise das Componentes Principais (ACP), geraram-se as composições do ambiente atmosférico médio favorável ao desenvolvimento dos CCM, para comparar o grupo dos que ocorreram no Sul do Brasil ao dos que atuaram em outras regiões da AS. Usando como dado de entrada as variáveis de altura geopotencial e temperatura (em 850 hPa), foram encontradas quatro componentes principais para cada um dos grupos de CCM. Com base nas componentes principais, nas variáveis atmosféricas e nas cartas sinóticas, foram reconstruídos os ambientes atmosféricos médios para identificar o comportamento das características atmosféricas prévias aos CCM para cada conjunto de eventos. Os resultados identificaram 303 CCM, 96 no Sul do Brasil, 168 em outras regiões da AS e 39 oceânicos. O ambiente atmosférico médio dos 168 CCM não apresentou características homogêneas, pois 75% das componentes não possuíam jatos de baixos níveis (JBN) dentro dos critérios adotados, mas a presença de um escoamento meridional. Esse fluxo, ao encontrar com a região de divergência dos jatos de altos níveis (JAN), foi um dos fatores favoráveis para a convecção, já que seus valores de CAPE (≥ 450 J kg-1) eram menores que a média esperada para formação de tempestades e só uma das componentes teve frentes frias associadas. Por outro lado, o grupo dos 96 CCM que atuaram no Sul do Brasil mostrou-se cerca de 50.000 km² maior em extensão que os das outras regiões da AS e dos EUA e com duração de pelo menos 3 h a mais. Além disso, as características atmosféricas do grupo de CCM do Sul do Brasil mostraram padrões homogêneos, podendo indicar a formação de CCM nessa região quando: o campo de ventos médios em 850 e 200 hPa, se encontrarem em posição ortogonal, indicando acoplamento entre os jatos de baixos e altos níveis; os valores de CAPE forem ≥ 600 J kg-1 e o cisalhamento vertical estiver entre 7 e 12 m s-1; houver atuação das frentes frias no sul da AS; a umidade relativa disponível estiver concentrada próxima à região Sul do Brasil, com valores maiores que 80%; a altura geopotencial (850 hPa) apresentar um cavado na região gênese dos CCM e a temperatura (850 hPa) estiver mais elevada próxima e ao norte da região de formação. / Mesoscale Convective Complexes (MCCs) are meteorological events difficult to forecast, which result in severe storms and other natural hazards. This study’s objective is to indicate the large-scale atmospheric environment favorable to develop MCCs in Southern Brazil during the 1998–2007 period. The MCCs database used was from Durkee and Mote (2009) and the variables selected include CAPE (Convective Available Potential Energy), dewpoint temperature, temperature, geopotential height, and relative humidity from National Center for Environmental Prediction (NCEP) Climate Forecast System Reanalysis (CFSR), collected from 2,5 to 5,5 hours before the MCCs’ development. Principal component analysis (PCA) method was used to construct the average atmospheric environments of MCCs group that occurred in Southern Brazil to compare with MCCs that occurred in other regions of South America. Temperature and geopotential height were the variables used for the PCA, resulting in four principal components to each MCCs group. Based on these principal components, meteorological variables and synoptic charts, average atmospheric environments were built to understand the atmospheric parameters that indicate the development of MCCs in each group. Results show 303 MMCs, 96 were located in Southern Brazil, 168 in South America and 39 in the South Atlantic Ocean. The average atmospheric environment from the group of 168 MCCs did not indicate homogeneous characteristics, as 75% of its principal components cannot be characterized as having a low-level jet (LLJ) in the wind field, instead only a meridional flux of humid and warm air at 850 hPa. This air coupled with the upperlevel jet (ULJ) was found to be responsible for convection developing MCCs, as CAPE (≥ 450 J kg-1) was below the average to produce storms and only one component was associated with a cold front. On the other hand, the MCCs’ group of Southern Brazil is on the order of 50.000 km² larger and 3 hours longer than MCCs from other regions of South America and from the United States. Furthermore, the atmospheric characteristics of the Southern Brazil MCCs’ group revealed homogenous patterns, which suggest that the development of MCCs in this region starts when: the mean wind field indicate a coupled LLJ (jet streak between 10 and 12 m s-1) and ULJ (jet streak ≥ 32 m s-1), CAPE value is ≥ 600 J kg-1 and the vertical wind shear is from 7 to 12 m s-1, cold fronts are active in Southern South America, the relative humidity is concentrated in Southern Brazil and above 80%, the geopotential height (850 hPa) indicate a trough in the genesis region of MCCs and the temperature (850 hPa) is higher near and northern the genesis region.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:25:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_ mirlen_silva.pdf: 5380999 bytes, checksum: 0a2780f3032a4c42e7bb48f0a5402213 (MD5) Previous issue date: 2009-03-10 / In this work it is presented the study of 6 years of detected lightning data in association to the occurrence of mesoscale convective systems in the region located between 15ºS - 27ºS and 35ºW - 55ºW. The Lightning data were provided by FURNAS Centrais Elétricas S.A. for the period 2002-2007. Geostationary satellite images, enhanced in the infrared channel, were used to identify the cases of interest utilizing -50ºC as cloud top level temperature threshold for convective clusters. For these days, lightning detected in the study region should attain a minimum value of 1000 during 1 hour in some moment of occurrence during the identified cases. From the 565 days that satisfied this criterion, it was selected 25 cases occurred in 33 days during the years of 2003, 2005 (from October to December due to satellite images limitations), 2006 and 2007. For the period of occurrence of each one of these 25 cases, the detected lightning were counted during an interval of 15 minutes before and after the time of the satellite images used in each case to put in evidence the lightning associated to the observed convective clusters. The quantity of detected lightning in a convective cluster were related to its evolutive cycle. / Neste trabalho é apresentado o estudo de 6 anos de dados de descargas elétricas atmosféricas (DEA) detectadas em associação com a ocorrência de sistemas convectivos de mesoescala na região compreendida entre 15ºS e 27ºS e 35ºW e 55ºW. Os dados de DEA foram cedidos por FURNAS Centrais Elétricas S.A. para o período de 2002-2007. As imagens de satélite geoestacionário, realçadas no canal infravermelho, foram usadas para a identificação dos casos de estudo utilizando o valor limiar de -50ºC para temperatura dos topos das nuvens convectivas. Para estes dias, as DEA detectadas na região de estudo deveriam atingir o valor mínimo de 1000 no intervalo de 1 hora em algum momento de ocorrência dos casos identificados. Dos 565 dias contabilizados desta forma, foram selecionados 25 casos de estudo, ocorridos em 33 dias dos anos 2003, 2005 (de outubro a dezembro, por limitações nas imagens de satélite), 2006 e 2007. Para o período de ocorrência de cada um destes 25 casos, foram contabilizadas as DEA no intervalo de 15 minutos antes e depois do horário das imagens de satélite utilizadas em cada caso, para colocar em evidência as DEA associadas aos aglomerados convectivos observados. Ficou evidenciado que a quantidade de DEA detectadas em um aglomerado convectivo esteve relacionada diretamente com o ciclo evolutivo do mesmo.

Os sistemas convectivos da região Amazônica possuem características microfísicas peculiares, que variam de um caráter convectivo marítimo (estação chuvosa) a continental (estação de transição seca-chuvosa). Essas características modulam a eletrificação desses sistemas, porém ainda não se sabe quais são os processos dominantes que intensificam o número de descargas elétricas de uma estação para outra: efeito dos aerossóis, termodinâmico, grande-escala ou topografia? Para responder à essa pergunta, o objetivo deste trabalho foi identificar e quantificar a importância de cada um desses efeitos na eletrificação dos sistemas convectivos da Amazônia. A metodologia foi baseada em análises de dados observacionais do experimento de campo DRYTOWET e em um modelo numérico com parametrizações de transferências de cargas e descargas elétricas. A análise do ciclo anual das descargas elétricas do tipo nuvem-solo (CGs) mostrou que a atividade elétrica dos sistemas precipitantes da região sudoeste da Amazônia aumenta durante a transição da estação seca para a estação chuvosa (Agosto a Setembro), associada aos sistemas convectivos com maior desenvolvimento vertical que acontecem nesse período. Com o estabelecimento da estação chuvosa (Novembro a Março), o número de CGs diminui porém a atividade elétrica ainda se mantêm. A porcentagem desses totais de CGs que tinham polaridade positiva (+CGs) tem média de 12% durante todo o ano, aumentando drasticamente para até 25% em Setembro, durante a transição entre as estações secas e chuvosa. Esse aumento da %+CGs ocorreu simultaneamente ao aumento da poluição atmosférica provocada pela queima de biomassa das pastagens realizada pelos fazendeiros locais, que as preparam para a agricultura e pecuária durante o início das primeiras chuvas. Por outro lado, o aumento da %+CGs das tempestades também ocorreu preferencialmente sobre a área de pastagem do estado de Rondônia. Através da análise de dados de radar dos sistemas precipitantes que ocorreram durante o experimento DRYTOWET, foi constatado que as tempestades positivas (tempestades que produzem mais de 50% de +CGs em 50% de seu tempo de vida) se formaram em ambientes mais secos e com alturas do nível de convecção por levantamento (NCL, altura da base da nuvem) maiores do que as demais tempestades (tempestades negativas), durante todo o experimento mas com maiores diferenças durante o final da estação seca (Setembro-Outubro). Com altura da base da nuvem mais elevada, a espessura da camada quente (ECQ - base da nuvem até a isoterma de 0oC) diminui, aumentando assim a velocidade das correntes ascendentes através de um melhor processamento da energia potencial disponível para convecção (CAPE) devido a um menor entranhamento. O aumento da velocidade das correntes ascendentes dentro da nuvem resulta em tempestades mais profundas e mais intensas. O efeito do aumento do NCL é uma característica das regiões com vegetação de pastagem, onde a razão entre o calor sensível e latente na superfície é maior do que as áreas florestadas, aumentando a altura da camada limite planetária. As diferenças de concentração total e distribuição de tamanho dos aerossóis devido ao aumento da poluição durante a transição entre as estações seca e chuvosa não foram conclusivas quanto a um possível efeito na distribuição de hidrometeoros das tempestade positivas e negativas, uma vez que o ciclo diurno da concentração dos aerossóis acompanha o ciclo diurno da camada limite planetária, que também regula o efeito da ECQ. Simulações numéricas com um modelo 1D de nuvem, acoplado à parametrizações de transferências de cargas elétricas entre hidrometeoros e raios, mostraram que a estrutura termodinâmica da atmosfera foi a maior responsável pela eletrificação das tempestades simuladas, aumentando a velocidade das correntes ascendentes. O efeito do aumento do número de aerossóis, que inibe da fase quente da nuvem e conseqüentemente fortalece a da fase fria da nuvem fornecendo mais vapor e gotículas de nuvem para essa região, provocou a diminuição da quantidade de granizo nas tempestades simuladas e o aumento de partículas agregadas menores, como os flocos de neve e graupel, diminuindo a freqüência de raios. / Amazonian convective systems have unique microphysical characteristics, varying from a maritime convective behavior (rainy season) to a continental behavior (wet-dry transition season). These characteristics modulate the electrification of these systems, however it is still not well understood which are the dominant processes that intensify the frequency of lightning from one season to another: aerosol effect, thermodynamics, large-scale variability, landscape or topography? To answer this question, the objective of this study was to identify and quantify the importance of each one of these effects on the electrification of convective systems over the Amazon. The methodology was based on the analysis of observational data from the field experiment DRYTOWET and a numerical model with charge transfer parameterizations and lightning discharges. The cloud-to-ground (CG) lightning discharges annual cycle presented that the electrical activity of the southwestern Amazonian precipitating systems increased during the transition between the dry and wet seasons (August to September), in association with the convective systems deepening. With the establishment of the wet season (November to March), the number of CGs decreased but the electrical activity continued. The mean annual percentage of cloud-to-ground lightning of positive polarity (+CGs) was 12%, increasing drastically to 25% in September during the transition between the dry and wet seasons. This percentage of +CGs raise happened simultaneously with the increase in the atmospheric pollution due to the pasture biomass burning, held by local farmers to prepare the soil for agriculture and livestock during the begging of first rains. On the other hand, the increase in %+CGs also occurred preferentially over pasture areas of Rondonia state. Through the analysis of radar precipitating systems that occurred during the field campaign DRYTOWET, it was noted that positive thunderstorms (storms that produced more than 50% of +CGs over 50% of their life time) were initiated in drier and higher lift condensation levels (cloud base height) environments than other storms (negative thunderstorms) during all the field experiment, especially in the end of the dry season (September-October). A higher cloud base height is associated with a shallower warm cloud depth (cloud base height to the 0oC isotherm) and consequently less entrainment, increasing the updrafts due to a more efficient processing of the convective available potential energy (CAPE). This increase in updrafts inside the clouds results in deeper and stronger thunderstorms. The higher cloud base heights is a characteristic from pasture regions, where the ratio between sensible and latent heats at surface is greater than forested areas, which increases the top of the planetary boundary layer. The differences in the aerosol total concentration and size distribution, due to the increase in the atmospheric pollution during the transition between the dry and wet seasons, were inconclusive in a possible aerosol effect in the strength of positive and negative thunderstorms, once the aerosol concentration diurnal cycle follows the cycle of the planetary boundary layer, that also regulates the warm cloud depth effect. Numerical simulation of an 1D cloud model, coupled with charge transfer between the hydrometeors, showed that the thermodynamic structure was the main responsible feature for cloud electrification, increasing the updraft velocities. The pollution effect was masked in simulations, which inhibit the warm precipitation and consequently strength the the mixed and cold regions of the cloud, was responsible for an increase in the number of smaller aggregated particles, like snow flakes and graupel, decreasing the electrification and lightning frequency.

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Os sistemas convectivos da região Amazônica possuem características microfísicas peculiares, que variam de um caráter convectivo marítimo (estação chuvosa) a continental (estação de transição seca-chuvosa). Essas características modulam a eletrificação desses sistemas, porém ainda não se sabe quais são os processos dominantes que intensificam o número de descargas elétricas de uma estação para outra: efeito dos aerossóis, termodinâmico, grande-escala ou topografia? Para responder à essa pergunta, o objetivo deste trabalho foi identificar e quantificar a importância de cada um desses efeitos na eletrificação dos sistemas convectivos da Amazônia. A metodologia foi baseada em análises de dados observacionais do experimento de campo DRYTOWET e em um modelo numérico com parametrizações de transferências de cargas e descargas elétricas. A análise do ciclo anual das descargas elétricas do tipo nuvem-solo (CGs) mostrou que a atividade elétrica dos sistemas precipitantes da região sudoeste da Amazônia aumenta durante a transição da estação seca para a estação chuvosa (Agosto a Setembro), associada aos sistemas convectivos com maior desenvolvimento vertical que acontecem nesse período. Com o estabelecimento da estação chuvosa (Novembro a Março), o número de CGs diminui porém a atividade elétrica ainda se mantêm. A porcentagem desses totais de CGs que tinham polaridade positiva (+CGs) tem média de 12% durante todo o ano, aumentando drasticamente para até 25% em Setembro, durante a transição entre as estações secas e chuvosa. Esse aumento da %+CGs ocorreu simultaneamente ao aumento da poluição atmosférica provocada pela queima de biomassa das pastagens realizada pelos fazendeiros locais, que as preparam para a agricultura e pecuária durante o início das primeiras chuvas. Por outro lado, o aumento da %+CGs das tempestades também ocorreu preferencialmente sobre a área de pastagem do estado de Rondônia. Através da análise de dados de radar dos sistemas precipitantes que ocorreram durante o experimento DRYTOWET, foi constatado que as tempestades positivas (tempestades que produzem mais de 50% de +CGs em 50% de seu tempo de vida) se formaram em ambientes mais secos e com alturas do nível de convecção por levantamento (NCL, altura da base da nuvem) maiores do que as demais tempestades (tempestades negativas), durante todo o experimento mas com maiores diferenças durante o final da estação seca (Setembro-Outubro). Com altura da base da nuvem mais elevada, a espessura da camada quente (ECQ - base da nuvem até a isoterma de 0oC) diminui, aumentando assim a velocidade das correntes ascendentes através de um melhor processamento da energia potencial disponível para convecção (CAPE) devido a um menor entranhamento. O aumento da velocidade das correntes ascendentes dentro da nuvem resulta em tempestades mais profundas e mais intensas. O efeito do aumento do NCL é uma característica das regiões com vegetação de pastagem, onde a razão entre o calor sensível e latente na superfície é maior do que as áreas florestadas, aumentando a altura da camada limite planetária. As diferenças de concentração total e distribuição de tamanho dos aerossóis devido ao aumento da poluição durante a transição entre as estações seca e chuvosa não foram conclusivas quanto a um possível efeito na distribuição de hidrometeoros das tempestade positivas e negativas, uma vez que o ciclo diurno da concentração dos aerossóis acompanha o ciclo diurno da camada limite planetária, que também regula o efeito da ECQ. Simulações numéricas com um modelo 1D de nuvem, acoplado à parametrizações de transferências de cargas elétricas entre hidrometeoros e raios, mostraram que a estrutura termodinâmica da atmosfera foi a maior responsável pela eletrificação das tempestades simuladas, aumentando a velocidade das correntes ascendentes. O efeito do aumento do número de aerossóis, que inibe da fase quente da nuvem e conseqüentemente fortalece a da fase fria da nuvem fornecendo mais vapor e gotículas de nuvem para essa região, provocou a diminuição da quantidade de granizo nas tempestades simuladas e o aumento de partículas agregadas menores, como os flocos de neve e graupel, diminuindo a freqüência de raios. / Amazonian convective systems have unique microphysical characteristics, varying from a maritime convective behavior (rainy season) to a continental behavior (wet-dry transition season). These characteristics modulate the electrification of these systems, however it is still not well understood which are the dominant processes that intensify the frequency of lightning from one season to another: aerosol effect, thermodynamics, large-scale variability, landscape or topography? To answer this question, the objective of this study was to identify and quantify the importance of each one of these effects on the electrification of convective systems over the Amazon. The methodology was based on the analysis of observational data from the field experiment DRYTOWET and a numerical model with charge transfer parameterizations and lightning discharges. The cloud-to-ground (CG) lightning discharges annual cycle presented that the electrical activity of the southwestern Amazonian precipitating systems increased during the transition between the dry and wet seasons (August to September), in association with the convective systems deepening. With the establishment of the wet season (November to March), the number of CGs decreased but the electrical activity continued. The mean annual percentage of cloud-to-ground lightning of positive polarity (+CGs) was 12%, increasing drastically to 25% in September during the transition between the dry and wet seasons. This percentage of +CGs raise happened simultaneously with the increase in the atmospheric pollution due to the pasture biomass burning, held by local farmers to prepare the soil for agriculture and livestock during the begging of first rains. On the other hand, the increase in %+CGs also occurred preferentially over pasture areas of Rondonia state. Through the analysis of radar precipitating systems that occurred during the field campaign DRYTOWET, it was noted that positive thunderstorms (storms that produced more than 50% of +CGs over 50% of their life time) were initiated in drier and higher lift condensation levels (cloud base height) environments than other storms (negative thunderstorms) during all the field experiment, especially in the end of the dry season (September-October). A higher cloud base height is associated with a shallower warm cloud depth (cloud base height to the 0oC isotherm) and consequently less entrainment, increasing the updrafts due to a more efficient processing of the convective available potential energy (CAPE). This increase in updrafts inside the clouds results in deeper and stronger thunderstorms. The higher cloud base heights is a characteristic from pasture regions, where the ratio between sensible and latent heats at surface is greater than forested areas, which increases the top of the planetary boundary layer. The differences in the aerosol total concentration and size distribution, due to the increase in the atmospheric pollution during the transition between the dry and wet seasons, were inconclusive in a possible aerosol effect in the strength of positive and negative thunderstorms, once the aerosol concentration diurnal cycle follows the cycle of the planetary boundary layer, that also regulates the warm cloud depth effect. Numerical simulation of an 1D cloud model, coupled with charge transfer between the hydrometeors, showed that the thermodynamic structure was the main responsible feature for cloud electrification, increasing the updraft velocities. The pollution effect was masked in simulations, which inhibit the warm precipitation and consequently strength the the mixed and cold regions of the cloud, was responsible for an increase in the number of smaller aggregated particles, like snow flakes and graupel, decreasing the electrification and lightning frequency.