An adding-doubling method is employed to calculate the reflected Stokes parameters for cirrus cloud layers composed of different habits and effective sizes. The elements of the Mueller matrix are determined from the reflected Stokes parameters by considering four different incident polarization states. The sensitivity of these elements is observed by comparing different ice crystal habits, effective sizes, and optical depth. The Mueller elements are strongly dependent on habit. The three habits, aggregate, bullet rosette, and plate, are observed and the M12/M11,M43/M11 and M44/M11 elements are discussed. The wavelength used is 0.532µm, which is the lidar wavelength used on the CALIPSO satellite. The linear depolarization ratio is also discussed. The method of subtracting the two depolarization ratios, is noted as another way to possibly better distinguish ice crystal habits. The sensitivity of the Mueller matrix to effective size is also observed. For three size distributions, the Mueller elements indicate no strong dependence. This may be due to the assumption of randomly oriented ice. Also, using an absorbing wavelength might provide dependence. Finally, the Mueller elements are dependent on optical depth. For a greater optical depth, the strength of reflection increases while the polarization decreases. As the optical depth increases, any peak-like features become non-existent.

Thesis (M.S. in Meteorology)--Naval Postgraduate School, June 1990. / Thesis Advisor(s): Wash, Carlyle H. Second Reader: Durkee, Philip A. "June 1990." Description based on title screen as viewed on October 15, 2009. DTIC Identifier(s): Cirrus Clouds, Satellite Meteorology, Theses, Split Window Techniques. Author(s) subject terms: Meteorology, Satellite Remote Sensing, Cirrus, Split-Window Technique. Includes bibliographical references (p. 47-48). Also available in print.

Recentemente, as nuvens cirrus tem sido reconhecidas como importantes agentes do sistema climático global por funcionarem como cobertores térmico e poderem alterar signicativamente o balanço de radiação atmosférico, afetando o sistema climático em escalas de tempo que vão desde condições do tempo até mudanças climáticas. Elas são encontradas perto da tropopausa e são formadas principalmente por cristais de gelo não esféricos, com tempo de vida que pode ir de horas a alguns dias. Apesar de serem relativamente transparentes à radiação solar (profundidade óptica < 3,0), elas são opacas à radiação infravermelha, aprisionado radiação que seria perdida para o espaço, e, assim, podendo ter uma forçante radiativa positiva. Sua importância cresce devido a sua grande área de cobertura. A cobertura global de nuvens cirrus tem sido estimada em cerca de 20-25% e sua ocorrência pode ser mais de 70 % nos trópicos ( LIOU , 2002). No inicio de 2011, uma estação de UV-Raman Lidar se tornou operacional na região central da Amazônia, instalado 30 km a NE de Manaus-AM (2,89 °S 59,97 °W). Usando um laser de 95 mJ Nd-Yag em 355 nm e um telescópio Cassegrain com 400 e 4000 mm de distancia focal, este sistema detecta remotamente a troposfera com 7,5 m e 1-min de resolução espacial e temporal, respectivamente. Para analisar esse grande volume de dados, um algoritmo automatizado para detecção de nuvens cirrus foi desenvolvido com base no método descrito por ( BARJA , 2002), que determina a altitude da base, topo, máximo retro espalhamento e espessura. Os resultados mostram uma boa concordância entre o método visual de costume, não havendo diferença signicativa nas alturas de base. Um método baseado no fator de transmitância da equação do lidar foi utilizado para derivar a profundidade óptica dos cirrus. Pers de temperatura e pressão foram obtidos através de radiosondagens disponíveis duas vezes por dia do aeroporto militar de Ponta Pelada (28 km ao sul do sitio exerimental). Os métodos de Klett e Raman foram utilizados para derivar os coeciente de retroespalhamento e estimar a razão lidar das nuvens cirrus. Como resultados da analise dos dados dos dois primeiros anos de medidas (2011 e 2012), encontramos que a ocorrência de nuvens cirrus foi cerca de 71,0 % do tempo de observação total, sendo cerca de 24,2 % de todos os cirrus foram cirrus subvisuais (<0,03), 40,7 % eram cirrus nos (0,03< <0,3) e 35,1 % eram cirrus stratus ( > 0,3). Encontramos tambem os valores médios de 12,4 ± 2.k km , 14,3 ± 2,2 km para as altitudes de base e topo, respectivamente, residindo entre a temperaturas de até -90 °C e frequentemente encontradas próximas a tropopausa. A razão lidar para estas nuvens cirrus foi estimada em 20,0 ± 6,8 sr. Além disso, estudamos o comportamento destas grandezas com relação a temperatura. Enquanto as nuvens cirrus observadas mostraram uma redução da espessura e da profundidade óptica com a diminuição da temperatura (aumento da altitude), a razão lidar mostrou-se constante, indicando uma composição constante em termos da mistura de cristais de gelo. / Recently, cirrus clouds have been recognized as important agents of global climate system by functioning as a thermal blanket and can signicantly alter the radiation balance of the atmosphere, aecting the climate system from the weather to climate change timescales. They are found near the tropopause and are formed mainly by non spherical ice crystals, with lifetime that can go from hours to a few days. Despite being relatively transparent to solar radiation (optical depth < 3.0), they are opaque to the infrared radiation that would be lost to space, and thus have a positive radiative forcing. Its importance grows due to its large coverage area. The global cirrus cover has been estimated to be about 20-25% and their occurrence can be more than 70% over the tropics ( LIOU , 2002). In mid-2011 a UV Raman Lidar station become operational in the central Amazon region, installed 30 km up-wind from Manaus-AM (2.89 °S 59.97 °W). Using a 95 mJ Nd-Yag laser at 355 nm and a cassegrain telescope with 400 mm and 4000 mm focal length, this system remotely senses the troposphere with 7.5 m and 1-min height and time resolution respectively. To analyze this large amount of data, an automated algorithm for the detection of cirrus clouds was developed based on the method described for( BARJA , 2002), which determine the cloud base, top and maximum light backscattering heights, and cloud thickness. The results show a good agreement between the usual visual method, with no signicant dierence in the base heights. The transmittance factor of the lidar signal was used to derive the optical depth cirrus. Proles of temperature and pressure were obtained by radiosondes available twice daily from the military airport of Ponta Pelada (28 km south from the experimental site). The Klett and Raman methods were used to derive the backscattering coecient and to estimate the lidar ratio of the cirrus clouds. As the results for the analysis of data from the rst two years of measurements (2011 and 2012 ), we found that the occurrence of cirrus clouds was approximately 71.0 % of the total time of observation, being approximately 24.2 % of all cirrus were subvisual ( < 0.03), 40.7 % were thin cirrus (0.03 < < 0.3 ) and 35.1 % were cirrus stratus ( > 0.3). Also found the average values of 12.4 ± 2.4 km 14.3 ± 2.2 km for altitudes of the base and top height, respectively, residing between the temperatures down to -90 °C and frequently found near the tropopause. The lidar-ratio was estimated as 20.0 ± 6.8 sr . Also, the behavior of these quantities with respect to temperature was studied.

As nuvens cirrus cobrem uma grande fração das latitudes tropicais e desempenham um papel importante no balanço de radiação da Terra. As propriedades ópticas, altitude, extensão vertical, e cobertura horizontal de nuvens controlam sua forçante radiativa. Além disso, nuvens cirrus tropicais podem influenciar a distribuição vertical do aquecimento radiativo na tropopausa tropical e pesquisas recentes também apontam para um aumento do vapor de água estratosférico ligado principalmente à ocorrência de nuvens cirrus na camada da tropopausa tropical (TTL). Apesar de sua importância, estudos relatando propriedades de nuvens cirrus sobre florestas tropicais como a Amazônia são ainda escassos. A maioria estão baseados em imagens de satélites de órbita polar que não fornecem informações sobre o ciclo diurno, nem sobre a estrutura vertical destas nuvens. Ao mesmo tempo, os estudos com lidar em solo são restritos a poucos estudos de caso, em geral associados a campanhas de campo de curta duração. Este panorama começou a mudar em 2011 com a instalação do sistema lidar do Laboratório de Física Atmosférica do IF-USP próximo à cidade de Manaus, Brasil. Neste trabalho, um conjunto de um ano de dados (de julho de 2011 a junho de 2012) foi utilizado para caracterizar as propriedades macro, microfísicas e ópticas das nuvens cirrus sobre a região amazônica e, posteriormente, calcular o papel que essas nuvens têm no balanço radiativo do planeta. Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo automático para detectar as nuvens e para obter as propriedades ópticas, incluindo a correção de múltiplo-espalhamento. As forçantes radiativas foram estimadas com dois modelos diferentes, a partir dos perfis de extinção medido com o lidar e de uma parametrização para estimar o raio efetivo dos cristais de gelo. Nossos resultados mostraram que as nuvens cirrus na alta troposfera foram mais frequentes na Amazônia do que relatado previamente em outras regiões tropicais. A frequência de ocorrência foi de 88 % durante a estação chuvosa e não inferior a 50 % durante a estação seca. O ciclo diurno mostrou um mínimo ao redor do meio-dia local e máximo durante o final da tarde, associado ao ciclo diurno da precipitação. Os valores médios das alturas de topo e base, da espessura e da profundidade óptica da nuvem foram de 14,3 +- 1,9 (desv. pad.) km, 12,9 +- 2,2 km, 1,4 +- 1,1 km e 0,25 +- 0,46, respectivamente. As nuvens cirrus foram encontradas em temperaturas de até -90 degC, com 6 % ocorrendo acima da tropopausa. A distribuição vertical não se mostrou uniforme, e nuvens cirrus finas (0,03 < COD < 0,3) e subvisuais (COD < 0,03) ocorreram mais frequentemente nas proximidades da tropopausa. A razão lidar média foi de 23,3 +- 8,0 sr. Contudo, para as nuvens cirrus subvisuais foi encontrada uma distribuição bimodal com um pico secundário em torno de 44 sr, sugerindo uma composição mista dos cristais de gelo. Não foi encontrada uma dependência da razão lidar com a temperatura da nuvem (altitude), indicando que as nuvens estão verticalmente bem misturadas. A frequência de ocorrência relativa das camadas de nuvens cirrus classificadas como subvisuais foi de 41,6 %, enquanto que 37,8 % foram cirrus finos e 20,5 % de cirrus opacos (COD > 0,3), com uma superposição média de 1,41 +- 0,63 camadas por perfil. Assim, na Amazônia central não ocorre apenas uma alta frequência de nuvens cirrus, mas também uma grande fração de nuvens cirrus subvisuais, o que pode estar contaminando as medidas de fotômetros solares e sensores orbitais. As propriedades medidas foram utilizadas no cálculo da forçante radiativa das nuvens cirrus (CRF) e dos perfis da taxa de aquecimento da atmosfera, em detalhe pelo libRadtran e aproximadamente pelo modelo de Corti e Peter (modelo CP). Com tamanha frequência de ocorrência e residindo tão alto sobre a intocada floresta Amazônica (albedo ~ 0,12), essas nuvens produziram uma CRF líquida no topo da atmosfera e na superfície (TOA e BOA) de +15,3 +- 0,4 e -3,7 +- 0,2 W m-2, respectivamente, muito mais intenso do que o estimado sobre a Europa (0,9 a 1,7 W m-2 no TOA). Cirrus opticamente mais espessas, em geral, apresentaram CRF líquido maior, com CRF instantâneo atingindo valores máximos (mínimos) de 140 (-65) W m-2 para o período noturno (diurno) no TOA. Juntos, os perfis verticais com COD_Coluna > 0,3 foram responsáveis por cerca de 72 % (62 %) do CRF líquido no TOA (BOA), o que significa que uma importante fração do CRF é gerada por cirrus opticamente mais finos (COD_Coluna < 0,3), que são mais difíceis de serem detectados por radares e instrumentos passivos a bordo de satélites. O ciclo diurno da profundidade óptica das nuvens cirrus teve reflexo em sua forçante radiativa. Observamos um ciclo diurno do valor médio da CRF líquida no TOA (BOA), que vaiou entre 1,7 (-23) W m-2 à tarde e 47 (3,1) W m-2 durante a noite. As nuvens cirrus promovem um aquecimento aproximadamente constante de 1,2 K dia-1 no perfil vertical entre 8 e 18 km (dentro da nuvem), mas com valores instantâneos superiores a 10 K dia-1 para porções da nuvem com alto IWC. Acredita-se que esse perfil de aquecimento gerado pelas nuvens cirrus tenha um papel importante na circulação da alta troposfera/baixa estratosfera, gerando um fluxo ascendente médio de massa de ar entre 2 e 15 kg m-2 dia-1 para altitudes entre 13 e 16,5 km, contribuindo para a manutenção da camada de cirrus próximo da tropopausa tropical. / Cirrus clouds cover a large fraction of tropical latitudes and play an important role in the Earth\'s radiation balance. Their optical properties, altitude, vertical extension, and horizontal cover control their radiative effect. In addition, tropical cirrus clouds can influence the vertical distribution of radiative heating near the tropopause, and recent research associate the moistening of the lower stratosphere with the occurrence of cirrus clouds in the tropical tropopause layer (TTL). Despite their importance, studies describing the properties of cirrus clouds over tropical forests like the Amazon are still scarce. Most studies are based on images from polar orbiting satellites, which do not give information on the diurnal cycle nor on the vertical structure of these clouds. At the same time, the studies based on ground-based lidars are restricted to a few case studies, from short-term field campaigns. This panorama started to change in 2011 with the installation of a lidar system from the Laboratory of Atmospheric Physics of IF-USP near the city of Manaus, Brazil. In this study, data from July 2011 to June 2012 was used to characterize the macro, microphysical and optical properties of cirrus clouds over the Amazon region, and then to calculate the role of those clouds in the radiative balance of the planet. An automatic algorithm was developed to detect the cloud layers and to obtain the optical properties, already considering the multiple-scattering correction. Two different models, using as input the measured extinction profiles and a parameterization for the ice crystals effective radius, were used to estimate the cirrus radiative effect. Our results showed that cirrus clouds are more frequent in Amazonia than in other tropical regions. The frequency of occurrence was 88 % during the rainy season and not less than 50 % during the dry season. The diurnal cycle showed a minimum around local noon and a maximum around late afternoon, associated with the diurnal cycle of precipitation. The average values of the top and cloud base heights, thickness, and optical depth were 14.3 +- 1.9 km, 12.9 +- 2.2 km, 1.4 +- 1.1 km, and 0.25 +- 0.46, respectively. Cirrus clouds were found at temperatures as low as -90 degC, with 6 % occurring above the tropopause. The vertical distribution was not uniform, and thin cirrus (0.03 < COD <0.3) and subvisible (COD <0.03) were more frequent in the vicinity of the tropopause. The mean lidar-ratio was 23.3 +- 8.0 sr. However, for the subvisible clouds a bimodal distribution with a secondary peak at about 44 sr was found, suggesting a mixture of ice crystals habits. No dependence of the lidar-ratio with temperature (altitude) was found, suggesting these clouds are well mixed vertically. The relative frequency of occurrence of cirrus layers classified as subvisible was 41.6 %, while 37.8 % were thin cirrus and 20.5 % opaque cirrus (COD > 0.3), with an average overlap of 1.41 +- 0.63 layers per profile. Therefore, in central Amazonia, there is not only a high incidence of cirrus clouds, but also a large fraction of subvisible clouds, which may be contaminating the measurements of sunphotometers and satellite sensors. These measured properties were used for the calculation of the cirrus radiative forcing (CRF) and the heating rate profiles, in detail with libRadtran, and approximately with the model of Corti and Peter (modelo CP). Given their high frequency of occurrence and location at high altitude over the pristine Amazon forest (albedo ~ 0,12), these clouds produced a net CRF at the top and bottom of the atmosphere (TOA and BOA) of +15.3 +- 0.4 and -3.7 +- 0.2 W m-2, respectively. This is greater than what was found over Europe (0.9, to 1.7 W m-2 at TOA). Optically thicker cirrus usually had larger CRF, with instantaneous CRF reaching peak (minimum) values of 140 (-65) W m-2 for the nocturnal (diurnal) period at TOA. The vertical profiles with COD_Column> 0.3 were responsible for about 72 % (62 %) of the net CRF at TOA (BOA), which means that a significant fraction of the cirrus CRF is generated by optically thin cirrus (COD_Column <0.3), which are more difficult to detect by radars and passive instruments on satellites. The diurnal cycle of the cirrus clouds optical depth had influence in its radiative forcing. We observed a diurnal cycle of the mean value of net CRF at TOA (BOA), which ranged from 1.7 (-23) W m-2 in the afternoon to 47 (3.1) W m-2 at night. The heating rates associated with these cirrus clouds were approximately constant, with 1.2 K day-1 from 8 to 18 km (within the cloud), but with instantaneous values that reached values higher than 10 K day-1 for portions with higher IWC. It is believed that this warming profile plays an important role in the circulation of the upper troposphere/low stratosphere, generating an average air mass flux between 2 and 15 kg m-2 day-1 for altitudes between 13 and 16.5 km, a positive feedback for the maintenance of the cirrus layer near the tropical tropopause.

As nuvens cirrus cobrem uma grande fração das latitudes tropicais e desempenham um papel importante no balanço de radiação da Terra. As propriedades ópticas, altitude, extensão vertical, e cobertura horizontal de nuvens controlam sua forçante radiativa. Além disso, nuvens cirrus tropicais podem influenciar a distribuição vertical do aquecimento radiativo na tropopausa tropical e pesquisas recentes também apontam para um aumento do vapor de água estratosférico ligado principalmente à ocorrência de nuvens cirrus na camada da tropopausa tropical (TTL). Apesar de sua importância, estudos relatando propriedades de nuvens cirrus sobre florestas tropicais como a Amazônia são ainda escassos. A maioria estão baseados em imagens de satélites de órbita polar que não fornecem informações sobre o ciclo diurno, nem sobre a estrutura vertical destas nuvens. Ao mesmo tempo, os estudos com lidar em solo são restritos a poucos estudos de caso, em geral associados a campanhas de campo de curta duração. Este panorama começou a mudar em 2011 com a instalação do sistema lidar do Laboratório de Física Atmosférica do IF-USP próximo à cidade de Manaus, Brasil. Neste trabalho, um conjunto de um ano de dados (de julho de 2011 a junho de 2012) foi utilizado para caracterizar as propriedades macro, microfísicas e ópticas das nuvens cirrus sobre a região amazônica e, posteriormente, calcular o papel que essas nuvens têm no balanço radiativo do planeta. Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo automático para detectar as nuvens e para obter as propriedades ópticas, incluindo a correção de múltiplo-espalhamento. As forçantes radiativas foram estimadas com dois modelos diferentes, a partir dos perfis de extinção medido com o lidar e de uma parametrização para estimar o raio efetivo dos cristais de gelo. Nossos resultados mostraram que as nuvens cirrus na alta troposfera foram mais frequentes na Amazônia do que relatado previamente em outras regiões tropicais. A frequência de ocorrência foi de 88 % durante a estação chuvosa e não inferior a 50 % durante a estação seca. O ciclo diurno mostrou um mínimo ao redor do meio-dia local e máximo durante o final da tarde, associado ao ciclo diurno da precipitação. Os valores médios das alturas de topo e base, da espessura e da profundidade óptica da nuvem foram de 14,3 +- 1,9 (desv. pad.) km, 12,9 +- 2,2 km, 1,4 +- 1,1 km e 0,25 +- 0,46, respectivamente. As nuvens cirrus foram encontradas em temperaturas de até -90 degC, com 6 % ocorrendo acima da tropopausa. A distribuição vertical não se mostrou uniforme, e nuvens cirrus finas (0,03 < COD < 0,3) e subvisuais (COD < 0,03) ocorreram mais frequentemente nas proximidades da tropopausa. A razão lidar média foi de 23,3 +- 8,0 sr. Contudo, para as nuvens cirrus subvisuais foi encontrada uma distribuição bimodal com um pico secundário em torno de 44 sr, sugerindo uma composição mista dos cristais de gelo. Não foi encontrada uma dependência da razão lidar com a temperatura da nuvem (altitude), indicando que as nuvens estão verticalmente bem misturadas. A frequência de ocorrência relativa das camadas de nuvens cirrus classificadas como subvisuais foi de 41,6 %, enquanto que 37,8 % foram cirrus finos e 20,5 % de cirrus opacos (COD > 0,3), com uma superposição média de 1,41 +- 0,63 camadas por perfil. Assim, na Amazônia central não ocorre apenas uma alta frequência de nuvens cirrus, mas também uma grande fração de nuvens cirrus subvisuais, o que pode estar contaminando as medidas de fotômetros solares e sensores orbitais. As propriedades medidas foram utilizadas no cálculo da forçante radiativa das nuvens cirrus (CRF) e dos perfis da taxa de aquecimento da atmosfera, em detalhe pelo libRadtran e aproximadamente pelo modelo de Corti e Peter (modelo CP). Com tamanha frequência de ocorrência e residindo tão alto sobre a intocada floresta Amazônica (albedo ~ 0,12), essas nuvens produziram uma CRF líquida no topo da atmosfera e na superfície (TOA e BOA) de +15,3 +- 0,4 e -3,7 +- 0,2 W m-2, respectivamente, muito mais intenso do que o estimado sobre a Europa (0,9 a 1,7 W m-2 no TOA). Cirrus opticamente mais espessas, em geral, apresentaram CRF líquido maior, com CRF instantâneo atingindo valores máximos (mínimos) de 140 (-65) W m-2 para o período noturno (diurno) no TOA. Juntos, os perfis verticais com COD_Coluna > 0,3 foram responsáveis por cerca de 72 % (62 %) do CRF líquido no TOA (BOA), o que significa que uma importante fração do CRF é gerada por cirrus opticamente mais finos (COD_Coluna < 0,3), que são mais difíceis de serem detectados por radares e instrumentos passivos a bordo de satélites. O ciclo diurno da profundidade óptica das nuvens cirrus teve reflexo em sua forçante radiativa. Observamos um ciclo diurno do valor médio da CRF líquida no TOA (BOA), que vaiou entre 1,7 (-23) W m-2 à tarde e 47 (3,1) W m-2 durante a noite. As nuvens cirrus promovem um aquecimento aproximadamente constante de 1,2 K dia-1 no perfil vertical entre 8 e 18 km (dentro da nuvem), mas com valores instantâneos superiores a 10 K dia-1 para porções da nuvem com alto IWC. Acredita-se que esse perfil de aquecimento gerado pelas nuvens cirrus tenha um papel importante na circulação da alta troposfera/baixa estratosfera, gerando um fluxo ascendente médio de massa de ar entre 2 e 15 kg m-2 dia-1 para altitudes entre 13 e 16,5 km, contribuindo para a manutenção da camada de cirrus próximo da tropopausa tropical. / Cirrus clouds cover a large fraction of tropical latitudes and play an important role in the Earth\'s radiation balance. Their optical properties, altitude, vertical extension, and horizontal cover control their radiative effect. In addition, tropical cirrus clouds can influence the vertical distribution of radiative heating near the tropopause, and recent research associate the moistening of the lower stratosphere with the occurrence of cirrus clouds in the tropical tropopause layer (TTL). Despite their importance, studies describing the properties of cirrus clouds over tropical forests like the Amazon are still scarce. Most studies are based on images from polar orbiting satellites, which do not give information on the diurnal cycle nor on the vertical structure of these clouds. At the same time, the studies based on ground-based lidars are restricted to a few case studies, from short-term field campaigns. This panorama started to change in 2011 with the installation of a lidar system from the Laboratory of Atmospheric Physics of IF-USP near the city of Manaus, Brazil. In this study, data from July 2011 to June 2012 was used to characterize the macro, microphysical and optical properties of cirrus clouds over the Amazon region, and then to calculate the role of those clouds in the radiative balance of the planet. An automatic algorithm was developed to detect the cloud layers and to obtain the optical properties, already considering the multiple-scattering correction. Two different models, using as input the measured extinction profiles and a parameterization for the ice crystals effective radius, were used to estimate the cirrus radiative effect. Our results showed that cirrus clouds are more frequent in Amazonia than in other tropical regions. The frequency of occurrence was 88 % during the rainy season and not less than 50 % during the dry season. The diurnal cycle showed a minimum around local noon and a maximum around late afternoon, associated with the diurnal cycle of precipitation. The average values of the top and cloud base heights, thickness, and optical depth were 14.3 +- 1.9 km, 12.9 +- 2.2 km, 1.4 +- 1.1 km, and 0.25 +- 0.46, respectively. Cirrus clouds were found at temperatures as low as -90 degC, with 6 % occurring above the tropopause. The vertical distribution was not uniform, and thin cirrus (0.03 < COD <0.3) and subvisible (COD <0.03) were more frequent in the vicinity of the tropopause. The mean lidar-ratio was 23.3 +- 8.0 sr. However, for the subvisible clouds a bimodal distribution with a secondary peak at about 44 sr was found, suggesting a mixture of ice crystals habits. No dependence of the lidar-ratio with temperature (altitude) was found, suggesting these clouds are well mixed vertically. The relative frequency of occurrence of cirrus layers classified as subvisible was 41.6 %, while 37.8 % were thin cirrus and 20.5 % opaque cirrus (COD > 0.3), with an average overlap of 1.41 +- 0.63 layers per profile. Therefore, in central Amazonia, there is not only a high incidence of cirrus clouds, but also a large fraction of subvisible clouds, which may be contaminating the measurements of sunphotometers and satellite sensors. These measured properties were used for the calculation of the cirrus radiative forcing (CRF) and the heating rate profiles, in detail with libRadtran, and approximately with the model of Corti and Peter (modelo CP). Given their high frequency of occurrence and location at high altitude over the pristine Amazon forest (albedo ~ 0,12), these clouds produced a net CRF at the top and bottom of the atmosphere (TOA and BOA) of +15.3 +- 0.4 and -3.7 +- 0.2 W m-2, respectively. This is greater than what was found over Europe (0.9, to 1.7 W m-2 at TOA). Optically thicker cirrus usually had larger CRF, with instantaneous CRF reaching peak (minimum) values of 140 (-65) W m-2 for the nocturnal (diurnal) period at TOA. The vertical profiles with COD_Column> 0.3 were responsible for about 72 % (62 %) of the net CRF at TOA (BOA), which means that a significant fraction of the cirrus CRF is generated by optically thin cirrus (COD_Column <0.3), which are more difficult to detect by radars and passive instruments on satellites. The diurnal cycle of the cirrus clouds optical depth had influence in its radiative forcing. We observed a diurnal cycle of the mean value of net CRF at TOA (BOA), which ranged from 1.7 (-23) W m-2 in the afternoon to 47 (3.1) W m-2 at night. The heating rates associated with these cirrus clouds were approximately constant, with 1.2 K day-1 from 8 to 18 km (within the cloud), but with instantaneous values that reached values higher than 10 K day-1 for portions with higher IWC. It is believed that this warming profile plays an important role in the circulation of the upper troposphere/low stratosphere, generating an average air mass flux between 2 and 15 kg m-2 day-1 for altitudes between 13 and 16.5 km, a positive feedback for the maintenance of the cirrus layer near the tropical tropopause.

Recentemente, as nuvens cirrus tem sido reconhecidas como importantes agentes do sistema climático global por funcionarem como cobertores térmico e poderem alterar signicativamente o balanço de radiação atmosférico, afetando o sistema climático em escalas de tempo que vão desde condições do tempo até mudanças climáticas. Elas são encontradas perto da tropopausa e são formadas principalmente por cristais de gelo não esféricos, com tempo de vida que pode ir de horas a alguns dias. Apesar de serem relativamente transparentes à radiação solar (profundidade óptica < 3,0), elas são opacas à radiação infravermelha, aprisionado radiação que seria perdida para o espaço, e, assim, podendo ter uma forçante radiativa positiva. Sua importância cresce devido a sua grande área de cobertura. A cobertura global de nuvens cirrus tem sido estimada em cerca de 20-25% e sua ocorrência pode ser mais de 70 % nos trópicos ( LIOU , 2002). No inicio de 2011, uma estação de UV-Raman Lidar se tornou operacional na região central da Amazônia, instalado 30 km a NE de Manaus-AM (2,89 °S 59,97 °W). Usando um laser de 95 mJ Nd-Yag em 355 nm e um telescópio Cassegrain com 400 e 4000 mm de distancia focal, este sistema detecta remotamente a troposfera com 7,5 m e 1-min de resolução espacial e temporal, respectivamente. Para analisar esse grande volume de dados, um algoritmo automatizado para detecção de nuvens cirrus foi desenvolvido com base no método descrito por ( BARJA , 2002), que determina a altitude da base, topo, máximo retro espalhamento e espessura. Os resultados mostram uma boa concordância entre o método visual de costume, não havendo diferença signicativa nas alturas de base. Um método baseado no fator de transmitância da equação do lidar foi utilizado para derivar a profundidade óptica dos cirrus. Pers de temperatura e pressão foram obtidos através de radiosondagens disponíveis duas vezes por dia do aeroporto militar de Ponta Pelada (28 km ao sul do sitio exerimental). Os métodos de Klett e Raman foram utilizados para derivar os coeciente de retroespalhamento e estimar a razão lidar das nuvens cirrus. Como resultados da analise dos dados dos dois primeiros anos de medidas (2011 e 2012), encontramos que a ocorrência de nuvens cirrus foi cerca de 71,0 % do tempo de observação total, sendo cerca de 24,2 % de todos os cirrus foram cirrus subvisuais (<0,03), 40,7 % eram cirrus nos (0,03< <0,3) e 35,1 % eram cirrus stratus ( > 0,3). Encontramos tambem os valores médios de 12,4 ± 2.k km , 14,3 ± 2,2 km para as altitudes de base e topo, respectivamente, residindo entre a temperaturas de até -90 °C e frequentemente encontradas próximas a tropopausa. A razão lidar para estas nuvens cirrus foi estimada em 20,0 ± 6,8 sr. Além disso, estudamos o comportamento destas grandezas com relação a temperatura. Enquanto as nuvens cirrus observadas mostraram uma redução da espessura e da profundidade óptica com a diminuição da temperatura (aumento da altitude), a razão lidar mostrou-se constante, indicando uma composição constante em termos da mistura de cristais de gelo. / Recently, cirrus clouds have been recognized as important agents of global climate system by functioning as a thermal blanket and can signicantly alter the radiation balance of the atmosphere, aecting the climate system from the weather to climate change timescales. They are found near the tropopause and are formed mainly by non spherical ice crystals, with lifetime that can go from hours to a few days. Despite being relatively transparent to solar radiation (optical depth < 3.0), they are opaque to the infrared radiation that would be lost to space, and thus have a positive radiative forcing. Its importance grows due to its large coverage area. The global cirrus cover has been estimated to be about 20-25% and their occurrence can be more than 70% over the tropics ( LIOU , 2002). In mid-2011 a UV Raman Lidar station become operational in the central Amazon region, installed 30 km up-wind from Manaus-AM (2.89 °S 59.97 °W). Using a 95 mJ Nd-Yag laser at 355 nm and a cassegrain telescope with 400 mm and 4000 mm focal length, this system remotely senses the troposphere with 7.5 m and 1-min height and time resolution respectively. To analyze this large amount of data, an automated algorithm for the detection of cirrus clouds was developed based on the method described for( BARJA , 2002), which determine the cloud base, top and maximum light backscattering heights, and cloud thickness. The results show a good agreement between the usual visual method, with no signicant dierence in the base heights. The transmittance factor of the lidar signal was used to derive the optical depth cirrus. Proles of temperature and pressure were obtained by radiosondes available twice daily from the military airport of Ponta Pelada (28 km south from the experimental site). The Klett and Raman methods were used to derive the backscattering coecient and to estimate the lidar ratio of the cirrus clouds. As the results for the analysis of data from the rst two years of measurements (2011 and 2012 ), we found that the occurrence of cirrus clouds was approximately 71.0 % of the total time of observation, being approximately 24.2 % of all cirrus were subvisual ( < 0.03), 40.7 % were thin cirrus (0.03 < < 0.3 ) and 35.1 % were cirrus stratus ( > 0.3). Also found the average values of 12.4 ± 2.4 km 14.3 ± 2.2 km for altitudes of the base and top height, respectively, residing between the temperatures down to -90 °C and frequently found near the tropopause. The lidar-ratio was estimated as 20.0 ± 6.8 sr . Also, the behavior of these quantities with respect to temperature was studied.

Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2009

L'augmentation considérable du trafic aérien depuis quelques décennies a motivé des recherches sur l'impact des traînées de condensation sur le climat. Lorsque celles-ci persistent, elles induisent une couverture nuageuse additionnelle en cirrus dont l'impact sur le climat est difficile à quantifier. La condition physique de la persistance des trainées de condensation est la sursaturation en glace (humidité relative supérieure à la saturation), phénomène assez fréquent dans la haute troposphère et condition nécessaire pour la formation des cirrus. Dans ce contexte, les sondeurs infrarouges ont l'avantage de fournir, de manière globale et continue, des mesures conjointes de propriétés nuageuses et de profils atmosphériques de température et de vapeur d'eau. Nous utilisons dans cette étude les bases de données climatiques TIROS-N Observation Vertical Sounder (TOVS) puis Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). Ces deux instruments n'ont pas une résolution verticale suffisante pour détecter la présence de fines couches de sursaturation en glace. Des synergies avec d'autres types observations permettent de le mettre en évidence et de le corriger. Nous démontrons notamment à l'aide du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) que l'humidité relative de la haute troposphère dans les cirrus, déterminée par AIRS, montre un biais négatif en comparaison de mesures in situ. Ce biais est lié à la résolution verticale de AIRS et il est d'autant plus prononcé que les nuages sont géométriquement fins. Il est difficile de détecter la sursaturation car cette dernière est plus à même d'apparaître sur de fines épaisseurs. Une méthode de correction est alors proposée pour mieux estimer les fréquences d'occurrence de la sursaturation en glace à l'échelle globale. La synergie entre AIRS et des mesures aéroportées de la campagne MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) nous permet de construire une probabilité d'occurrence de la sursaturation en fonction de l'humidité relative déterminée par AIRS, quelque soit la valeur de cette humidité relative. Cette probabilité permet de construire des climatologies de la sursaturation en glace. Enfin, son couplage avec la détermination conjointe des propriétés nuageuses permet d'établir des climatologies des situations atmosphériques favorables à la persistance et à l'impact sur le climat des traînées de condensation.

<p>An important factor in forecast models today is cirrus clouds, but not much are known about their dynamics which makes them hard to parameterize. In this study a new theory was derived to enable a more correct way to describe the interplay between radiative heating and dynamical motions in these clouds. This hypothesis was tested by performing three dimensional simulations of cirrus clouds, using the University of Utah Large Eddy Simulator (UULES). Eleven clouds of varying initial radius and ice water mixing ratio were examined, with the aim of finding a pattern in their dynamical features. The model was set up without short wave radiation from the sun, and without any precipitation affecting the clouds, leaving only terrestrial heating and atmospheric cooling to create motions in the clouds. Two categories of initial dynamics could be seen:</p><p>• Isentropic adjustment: The isentropes within the cloud are adjusting to the environment due to rising of the cloud. Causes horizontal spreading through continuity.</p><p>• Density current: A dominating initial feature is spreading in small mixed layers at the cloud top and bottom. Caused by the density difference between the cloud and its environment.</p><p>An interesting phenomenon showing up in the simulations was mammatus clouds, which were visible in two of the cases. The only instability available to create these clouds was the radiative heating difference, which does not agree with present theories for how they form.</p><p>Two dimensionless numbers S and C were derived to describe the nature of the spreading motions and convection in the cloud. Both these numbers agreed with results.</p> / <p>Cirrusmoln har en viktig roll i dagens prognosmodeller, men är svåra att parametrisera på ett bra sätt eftersom man inte har tillräcklig kunskap om deras dynamik och utveckling. I denna studie togs en ny teori fram för att göra det möjligt att på ett mer korrekt sätt beskriva samspelet mellan strålningsuppvärmning och dynamiska rörelser i dessa moln. Hypotesen testades sedan genom att utföra tredimensionella simuleringar av cirrus moln med hjälp av University of Utah Large Eddy Simulator (UULES). Elva moln med varierande initiella radier och isvatteninnehåll undersöktes, med målet att finna ett mönster i dynamik och utveckling. UULES ställdes in så att miljön där molnen simulerades varken innehöll kortvågsstrålning från solen eller nederbörd. Således fanns det bara en resterande faktor för att skapa rörelser i molnen; skillnaden i den infraröda strålningsuppvärmningen mellan molntopp och molnbas. Två kategorier av initiella rörelser uppstod i molnen:</p><p>• Justering av isotroper: Molnen stiger i höjd vilket gör att isotroperna inuti dem justeras till omgivningen. Detta orsakar horisontell spridning genom kontinuitet.</p><p>• Densitets ström: Horisontell spridning av molnen koncentrerad till mixade skikt i de övre och undre delarna. Orsakas av skillnad i densitet mellan moln och omgivning.</p><p>Ett intressant fenomen som visade sig i två av simuleringarna var mammatusmoln. Den enda instabiliteten tillgänglig för att skapa dessa moln var skillnaden i strålningsuppvärmning mellan molntopp och -bas. Detta stämmer inte överrens med nuvarande teorier för hur dessa moln skapas.</p><p>Två dimensionslösa tal, S och C togs fram för att indikera vilken av de initiella rörelserna som dominerar i molnet, samt vilken typ av konvektion som dominerar. Båda dessa tal stämde väl överrens med resultat.</p>

An important factor in forecast models today is cirrus clouds, but not much are known about their dynamics which makes them hard to parameterize. In this study a new theory was derived to enable a more correct way to describe the interplay between radiative heating and dynamical motions in these clouds. This hypothesis was tested by performing three dimensional simulations of cirrus clouds, using the University of Utah Large Eddy Simulator (UULES). Eleven clouds of varying initial radius and ice water mixing ratio were examined, with the aim of finding a pattern in their dynamical features. The model was set up without short wave radiation from the sun, and without any precipitation affecting the clouds, leaving only terrestrial heating and atmospheric cooling to create motions in the clouds. Two categories of initial dynamics could be seen: • Isentropic adjustment: The isentropes within the cloud are adjusting to the environment due to rising of the cloud. Causes horizontal spreading through continuity. • Density current: A dominating initial feature is spreading in small mixed layers at the cloud top and bottom. Caused by the density difference between the cloud and its environment. An interesting phenomenon showing up in the simulations was mammatus clouds, which were visible in two of the cases. The only instability available to create these clouds was the radiative heating difference, which does not agree with present theories for how they form. Two dimensionless numbers S and C were derived to describe the nature of the spreading motions and convection in the cloud. Both these numbers agreed with results. / Cirrusmoln har en viktig roll i dagens prognosmodeller, men är svåra att parametrisera på ett bra sätt eftersom man inte har tillräcklig kunskap om deras dynamik och utveckling. I denna studie togs en ny teori fram för att göra det möjligt att på ett mer korrekt sätt beskriva samspelet mellan strålningsuppvärmning och dynamiska rörelser i dessa moln. Hypotesen testades sedan genom att utföra tredimensionella simuleringar av cirrus moln med hjälp av University of Utah Large Eddy Simulator (UULES). Elva moln med varierande initiella radier och isvatteninnehåll undersöktes, med målet att finna ett mönster i dynamik och utveckling. UULES ställdes in så att miljön där molnen simulerades varken innehöll kortvågsstrålning från solen eller nederbörd. Således fanns det bara en resterande faktor för att skapa rörelser i molnen; skillnaden i den infraröda strålningsuppvärmningen mellan molntopp och molnbas. Två kategorier av initiella rörelser uppstod i molnen: • Justering av isotroper: Molnen stiger i höjd vilket gör att isotroperna inuti dem justeras till omgivningen. Detta orsakar horisontell spridning genom kontinuitet. • Densitets ström: Horisontell spridning av molnen koncentrerad till mixade skikt i de övre och undre delarna. Orsakas av skillnad i densitet mellan moln och omgivning. Ett intressant fenomen som visade sig i två av simuleringarna var mammatusmoln. Den enda instabiliteten tillgänglig för att skapa dessa moln var skillnaden i strålningsuppvärmning mellan molntopp och -bas. Detta stämmer inte överrens med nuvarande teorier för hur dessa moln skapas. Två dimensionslösa tal, S och C togs fram för att indikera vilken av de initiella rörelserna som dominerar i molnet, samt vilken typ av konvektion som dominerar. Båda dessa tal stämde väl överrens med resultat.