Atmospheric moist convection is one of the main topics discussed on weather and climate. This study purpose is to understand why different and similar cloud microphysics parameterizations produce different patterns of precipitation at the ground through several numerical sensitivity tests with the WRF model in the simulation of a squall line case observed on the Amazon region. Four different bulk microphysics parameterizations (Lin, WSM6, Morrison, and Milbrandt) were tested, and the main results show that statistical errors do not change significantly among each other for the four numerical domains (from 27 km up to 1 km grids). The correlations between radar rainfall data and the simulated precipitation fields show the double-moment parameterization Morrison scheme was the one that displayed better results in the overall: While Morrison scheme show 0.6 correlation in the western box of the 1 km domain, WSM6 and Lin schemes show 0.39 and 0.05, respectively. Nevertheless, because this scheme presents good correlations with the radar rain rates, it also shows a fairly better system lifecycle, evolution, and propagation when compared to the satellite data. Although, the complexity that the way microphysics variables are treated in both one-moment and double-moment schemes in this case study do not highly affect the simulatios results, the tridimensional vertical cross-sections show that the Purdue Lin and Morrison schemes display more intense systems compared to WSM6 and Milbrandt schemes, which may be associated with the different treatments of the ice-phase microphysics. In the specific comparison between double-moment schemes, the ice quantities generated by both Morrison and Milbrandt schemes highly affected thesystem displacement and rainfall intensity. This also affects the vertical velocities intensity which, in its, turn, changes the size of the cold pools. Differences in ice quantities were responsible for distinct quantities of total precipitable water content, which is related with the verticallly integrated ice mixing ratio generated by Morrison. The system moves faster in Milbrandt scheme compared to Morrison because the scheme generated more graupel quantities, which is smaller in size than hail, and it evaporates easier in the processes inside the cloud due to its size. This fact also changed the more intense cold pools intensity for Milbrandt scheme compared to Morrison. / A convecção atmosférica é um dos principais tópicos discutidos no tempo e clima. O objetivo deste estudo é entender por que diferentes e semelhantes parametrizações de microfísica de nuvens produzem diferentes padrões de precipitação no solo através de vários testes numéricos de sensibilidade com o modelo WRF na simulação de um caso de linha de instabilidade observado na região amazônica. Quatro diferentes parametrizações microfísicas de tipo bulk (Lin, WSM6, Morrison e Milbrandt) foram testadas, e os principais resultados mostram que os erros estatísticos não se alteram significativamente entre si para os quatro domínios numéricos (da grade de 27 km até a de 1 km). As correlações entre dados pluviométricos de radar e os campos de precipitação simulados mostram que o esquema Morrison de parametrização de duplo momento foi o que apresentou melhores resultados, no geral: enquanto o esquema de Morrison mostra correlação 0,6 na caixa oeste do domínio de 1 km, os esquemas WSM6 e Lin mostram 0,39 e 0,05, respectivamente. No entanto, como esse esquema apresenta boas correlações com as taxas de chuva do radar, ele também mostra um ciclo de vida, evolução e propagação do sistema relativamente melhores quando comparado aos dados de satélite. Embora a complexidade com que as variáveis microfísicas são tratadas nos esquemas de um momento e de duplo momento neste estudo de caso não afetam muito os resultados simulados, as seções transversais verticais tridimensionais mostram que os esquemas de Purdue Lin e Morrison exibem mais intensos em comparação com os esquemas WSM6 e Milbrandt, que podem estar associados aos diferentes tratamentos da microfísica da fase de gelo. Na comparação específica entre esquemas de momento duplo, as quantidades de gelo geradas pelos esquemas de Morrison e Milbrandt afetaram muito o deslocamento do sistema e a intensidade da chuva. Isso também afeta a intensidade das velocidades verticais que, por sua vez, altera o tamanho das piscinas frias. As diferençaas nas quantidades de gelo foram responsáveis por quantidades distintas de conteúdo total de água, que está relacionado com a razão de mistura de gelo verticalmente integrada gerada por Morrison. O sistema se move mais rápido no esquema de Milbrandt comparado a Morrison porque o esquema gerou mais quantidades de graupel, que é menor em tamanho do que o granizo, e evapora mais facilmente nos processos dentro da nuvem devido ao seu tamanho. Este fato também mudou a intensidade das piscinas frias mais intensas, porém menores em extensão horizontal, para o esquema Milbrandt em comparação com Morrison.

Esta dissertação analisou tempestades que produziram granizo na Região Metropolitana de Campinas com o objetivo de identificar fatores determinantes para a produção e precipitação de granizo. De forma inédita, uma rede de detecção de granizo instalada na região permitiu a identificação e determinação das intensidades das tempestades entre 2016 e 2017. O ciclo de vida, estrutura microfísica e cinemática de casos específicos foram estudados usando três radares meteorológicos instalados no estado de São Paulo e uma rede de detecção de raios, usando ferramentas como rastreamento de sistemas convectivos, identificação de hidrometeoros e recuperação de vento tridimensional por Multi-Doppler. Comparando com escalas de intensidade de granizo aplicadas ao continente europeu, os casos analisados apresentaram intensidade baixa, com granizo de no máximo 22,4 mm de diâmetro. O caso de 2017-03-14 apresentou o tempo de vida mais longo (6,2 h), queda de granizo em duas localidades (com diâmetro máximo de 11,8 mm) e atividade elétrica mais intensa (taxa máxima de 107 (31) flashes/min IC (CG)), enquanto que o caso de 2017-11-15, com tempo de vida mais curto (2,2 h), apresentou baixa atividade elétrica (total de 46 (20) flashes IC (CG)) porém com queda de granizo mais intensa (com diâmetro máximo de 22,4 mm). Todas as quedas de granizo dos casos específicos citados anteriormente estão associadas a uma extensa coluna de granizo identificada pelo radar polarimétrico e correntes ascendentes de até 30 m/s antes do evento; o granizo maior no caso de 2017-11-15 possivelmente tem contribuição da precipitação na forma líquida (associada à correntes descendentes mais intensas) que previne a diminuição de tamanho do granizo ao mesmo tempo que contribui para o seu crescimento mesmo abaixo da base da nuvem. Alguns fatores determinantes encontrados em ambos os casos foram o aumento da atividade elétrica antes ou depois da queda de granizo, a presença de granizo em uma camada extensa dentro da nuvem e a atuação da corrente ascendente dentro da região de fase mista contribuindo para a formação e crescimento do granizo. / This dissertation analyzed hail producing storms on the Metropolitan Region of Campinas to identify key factors for hailfall occurrence. For the first time, a hail detection network installed in the region allowed the identification and determination of thunderstorm intensity in the 2016-2017 period. The life cycle, microphysical structure and kinematics of specific cases were studied using three meteorological radars installed in São Paulo state and a lightning detection network, with tools such as tracking of convective systems, hydrometeor identification and Multi-Doppler 3D wind retrieval. The analyzed cases had low hailfall intensity when compared with scales applied in Europe, with 22.4 mm maximum hail diameter. The 2017-03-14 case presented the longest lifetime (6.2 h), hailfall in two locations (11.8 mm maximum hail diameter) and the most intense lightning activity (107 (31) flashes/min IC (CG) maximum rate), while the 2017-11-15 case, with a shorter lifetime (2.2 h), presented low electrical activity (46 (20) flashes IC (CG) total) with the most intense hailfall (22.4 mm maximum hail diameter). All hailfall cases of the specific cases mentioned earlier are associated with a extensive hail column identified by the polarimetric radar and up to $30 m/s updrafts before the events; the bigger hail in the 2017-11-15 case possibly had the contribution of liquid precipitation (associated with larger downdrafts) which prevents hail size decrease as well as contributes to its growth below the cloud base. Some key factors found in both cases were the increase in electrical activity before or after hailfall, the presence of hail in a extensive layer within cloud and the updrafts within mixed phase layer contributing to hail formation and growth.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-15T19:02:39Z No. of bitstreams: 1 RAFAEL CASTELO GUEDES MARTINS – TESE (PPGMet) 2014.pdf: 3362803 bytes, checksum: 5a99c28e73f6a95fef76f82f96d2edc4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-15T19:02:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RAFAEL CASTELO GUEDES MARTINS – TESE (PPGMet) 2014.pdf: 3362803 bytes, checksum: 5a99c28e73f6a95fef76f82f96d2edc4 (MD5) Previous issue date: 2014-12-12 / Um dos principais desafios atuais da modelagem numérica da atmosfera trata da previsão quantitativa da precipitação e do posicionamento das nuvens de chuva. Este trabalho tem com o principal objetivo avaliar o desempenho das arametrizações de microfísicas na modelagem regional com ênfase no papel da informação de grande escala e sua influência sobre as simulações, e no uso de dados observados de radiossondagens como forma de acrescentar informação à modelagem . Inicialmente, duas reanálises (NCEP2 e ERAI) foram estatisticamente comparadas com dados de PCDs do Estado do Ceará. Verificou - se qu e a ERAI apresentou maior semelhança com as observações, principalmente para as variáveis diretamente ligadas à convecção. Em seguida, a ERAI foi utilizada como forçamento de grande escala em simulações com o modelo WRF. Observou- se que o uso de microfísica detalhada não melhora necessariamente a previsão do modelo, caso não sejam utilizados dados observados no local de estudo. Por último, duas simulações de alta resolução foram realizadas. Uma forçada pela reanálise sem modificação e outra forçada pela reanálise modificada utilizando o método de análise objetiva do WRF, para incluir as séries temporais de radiossondagens coletadas durante campanha experimental do Projeto CHUVA, em Fortaleza- CE. As duas simulações foram comparadas com dados observados pelo radiômetro para o mesmo local e período das radiossondagens . Observou - se que a inclusão das observações de sondagens na modelagem possibilita melhor modelagem de um sistema convectivo ocorrido em abril de 2011, principalmente para as variáveis ligadas à convecção. Este trabalho aponta, utilizando análises comparativas e estatísticas, que a utilização de uma maior densidade de dados observacionais válidos no modelo pode melhorar de forma muito mais eficiente o resultado da modelagem, do que mesmo a utilização do downscaling dinâmico do dado de grande escala ou a utilização de esquemas de microfísica detalhada, que, em algumas situações, pode inclusive inserir mais erros nos sistema s modelados. / The quantitative prediction of precipitation and the positioning of the rain clouds is one of the main challenges of numerical modeling of the atmosphere in present days. This work aims to evaluate the performance of the microphysical parameterizations in regional modeling, with emphasis on the role of large- scale information and its influence on the simulations, and the use of observational data from radiosondes as a way to add information to modeling. Initially, two reanalysis (NCEP2 and ERAI) were statistically compared with data from PCDs from the Ceará State. It was found that the ERAI showed similarity to the observations, especially for variables directly linked to convection. Then, the ERAI is used as large scale forcing in simulations with the WRF model. It was observed that the use of detailed microphysics does not necessarily improve the model performance, if in situ data were not used. Finally, two high resolution simulations were performed. The first f orced by reanalysis without modification and other forced by reanalysis using the modified method of objective analysis of the WRF, to include the time series of radiosonde observations collected during the experimental campaign of the CHUVA Project in Fortaleza- CE. The two simulations were compared with data observed by the radiometer to the same place and period of the radiosonde. It was observed that the inclusion of radiosonde observations in to the model leads to a better simulation of a convective system that occurred in April 2011, mostly for the variables related to convection. Using comparative statistical analysis, t his work points that the use of a higher density of valid observational data in the model can improve much more efficiently the model results than the use of a dynamic downscal ing of large- scale data or the use of schemes with detailed microphysics, which in some circumstances may even introduce more errors into the modeled system s.

Submitted by Nathália Faria da Silva (nathaliafsilva.ufv@gmail.com) on 2017-07-26T16:32:49Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 7200030 bytes, checksum: 5dfc015ed0fa32bec3a8f1b52a28a00e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-26T16:32:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 7200030 bytes, checksum: 5dfc015ed0fa32bec3a8f1b52a28a00e (MD5) Previous issue date: 1990-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Desenvolveu-se um modelo para o cálculo de radiâncias, irradiâncias, saldos de radiação, emitâncias médias e temperaturas efetivas, em presença de cobertura estratiforme de nuvens, com base no espalhamento sucessivo da radiação. Tal modelo foi validado mediante comparações com outros sofisticados modelos, como o de ordenadas discretas de Chandrasekhar (”16-stream”) e o de Neumann. Analisou-se a contribuição do espalhamento múltiplo da radiação infravermelha na janela atmosférica, de 8 a 13 μm, para a taxa de resfriamento radiativo* da região próxima do topo da camada de nuvens, com propriedades microfísicas idênticas às das nuvens C1 de Deirmendjian, considerando o conteúdo de água líquida constante em seu interior. Concluiu- se que o espalhamento de ordem igual ou superior à unidade contribui muito pouco, na ordem de 6,7%, para a taxa de resfriamento radiativo em nuvens, na referida faixa espectral, podendo ser desprezível no cálculo da divergência do saldo de radiação. *Neste trabalho, o termo ”radiativo” se refers à radiaçao e não à radiatividade.

Nuvens desempenham um papel fundamental no balanço radiativo terrestre, e o conhecimento de suas propriedades micro e macrofísicas é importante para o estudo do clima global. O desenvolvimento convectivo de nuvens está intimamente relacionado ao comportamento microfísico de seus hidrometeoros, os quais são influenciados pela variação nas concentrações de aerossóis disponíveis na atmosfera. Este trabalho utiliza o sensoriamento remoto por satélites para analisar a evolução diurna de propriedades ópticas de hidrometeoros de nuvens sobre a Amazônia. Para tanto, medidas de radiância efetuadas pelos canais 1, 2 e 4 do satélite geoestacionário GOES 13 para os anos de 2012, 2013, 2014 e 2015 foram aliadas a códigos computacionais de transferência radiativa visando a obtenção de estimativas de raios efetivos de gotas e partículas de gelo em nuvens convectivas. A variação temporal de parâmetros microfísicos ao longo do dia foi analisada durante as estações seca e úmida em dois locais prístinos e outros dois locais significativamente atingidos pela fumaça de queimadas na Amazônia. A profundidade óptica de aerossóis ( a em 550 nm) variou de 0,1 a 0,2 na maior parte do ano (estação úmida) sobre todos os locais. Na estação seca nos sítios prístinos observou-se um a em torno de 0,5 unidades, e de cerca de 0,8 nos sítios degradados. Os resultados mostram que para todos os locais analisados há 32% mais pixels de nuvens durante a estação úmida do que na seca. As distribuições relativas de refletâncias em 0,63 m e da temperatura de brilho em 11 m indicam que em todos os sítios e épocas do ano há predominância de nuvens menos espessas e mais quentes sobre a Amazônia. A análise da refletância em 3,90 m indicou que nos quatro locais ocorre uma redução do raio efetivo de hidrometeoros de nuvens quentes na estação seca em relação à estação úmida. A distribuição de raios efetivos é bimodal para todos os sítios e estações analisados, sendo a variação diurna dessa distribuição consistente com processos de desenvolvimento vertical de nuvens e crescimento de hidrometeoros. Esse mecanismo ocorre de maneira distinta em locais mais e menos poluídos, sendo que para regiões mais poluídas e desmatadas o desenvolvimento vertical de tamanhos de partículas na época seca se dá de maneira mais lenta do que na úmida. Para as áreas mais atingidas pela pluma de fumaça durante a estação seca os raios efetivos de gotas/cristais de gelo com temperatura de brilho maior que -20°C praticamente não mudam, sofrendo uma variação máxima de 2 m num período de 2 horas. Para o mesmo intervalo de temperaturas e de tempo a estação seca em ambientes mais limpos apresenta uma variação de até 6 m nos raios efetivos das partículas. Esse resultado é parcialmente compatível com modelos conceituais que procuram explicar efeitos microfísicos de aerossóis sobre o tamanho de hidrometeoros em nuvens. O atraso no crescimento vertical de hidrometeoros é mais pronunciado perto do meio dia solar e em locais onde as concentrações de aerossóis provenientes de queimadas são maiores. / Clouds play a key role in Earths radiative balance. The knowledge of its micro and macrophysical properties is important for the study of global climate. The life cycle of convective clouds is closely related to the microphysics of its hydrometeors, which are influenced by many factors including variations in the concentration of atmospheric aerosols. This study uses remote sensing by a satellite to analyze the diurnal evolution of reflective properties of clouds over Amazon. Radiance measurements performed by channels 1, 2 and 4 of the imager instrument onboard GOES-13 geostationary satellite, from 2012 to 2015, were analyzed using radiative transfer and computational codes. This allowed deriving estimates of the effective radius of cloud droplets and ice particles in convective clouds. The temporal variation of microphysical parameters throughout the day was analyzed during the dry and wet seasons at two pristine sites and two other sites significantly affected by biomass burning smoke in the Amazon. The aerosol optical depth ( a at 550 nm) ranged from 0.1 to 0.2 for most of the year (wet season) over all sites. In the dry season at the pristine sites a a of about 0.5 units was observed, while about 0.8 units were measured at the degraded sites. The results show that for all analyzed sites there were 32% more cloudy pixels during the wet season than in the dry season. The relative distribution of reflectance at 0.63 m and the brightness temperature at 11 m indicate that at all sites and times of the year there is a predominance of shallow warm clouds in the Amazon. The analysis of the reflectance at 3.90 m indicated that at the four sites a reduction of the effective radius of hydrometeors in warm clouds occurs in the dry season in comparison to the wet season. The distribution of effective radius is bimodal for all sites and seasons. The diurnal variation of this bimodal distribution is consistent with processes of vertical cloud development and hydrometeor growth. This mechanism occurs differently in the pristine and degraded sites. At polluted and deforested regions the vertical development of particle sizes in the dry season occurs more slowly than in pristine ones. For the areas more affected by smoke plumes during the dry season the effective radius of drops/ice crystals of clouds with brightness temperature greater than -20°C show small changes with height, undergoing a maximum variation of 2 m in 2 hours. For the same temperature range and time interval in the dry season, clouds in cleaner environments showed a variation up to 6 m in the effective radius of particles. This result is partly compatible with conceptual models that seek to explain microphysical effects of aerosols on the size of hydrometeors. The vertical growth delay of hydrometeors is more pronounced near local solar noon and in places where the concentration of smoke aerosols is higher.

Este trabalho, sendo pioneiro no Brasil, teve o intuito de efetuar uma investigação das nuvens cirrus na região Metropolitana de São Paulo (23,33ºS / 46,44ºW), SP, através do sistema MSP-Lidar para o período de Junho à Julho de 2007. Durante este período, foi verificada uma ocorrência de cirrus de aproximadamente 54% sobre o total de medidas efetuadas pelo sistema Lidar. Medidas com Lidar nos forneceram uma alta resolução espacial e temporal destas nuvens, permitindo assim caracterizá-las e classificá-las de acordo com as suas propriedades macro- e microfísicas. Para obter tais parâmetros, uma metodologia própria foi desenvolvida na recuperação dos dados de Lidar e uma robusta estatística foi aplicada para determinar as diferentes classes de cirrus. A metodologia adotada se resumiu basicamente (a) na determinação de períodos estacionários (ou observações) durante a evolução temporal de detecção de cirrus, (b) determinação da base e topo através de um valor limiar para o cálculo das variáveis macrofísicas (altitudes, temperaturas, espessuras geométricas), (c) aplicação do método da transmitância para cada camada de nuvem e a determinação das variáveis microfísicas (profundidade óptica e razão de Lidar). Neste processo, a razão de Lidar é calculada iterativamente até que haja a convergência da mesma. Análises estatísticas de multivariáveis foram efetuadas para a determinação das classes de cirrus. Estas classes são baseadas na espessura geométrica, altitude média e sua respectiva temperatura, a altitude relativa (diferença entre a altura da tropopausa e topo da nuvem) e a profundidade óptica. O uso sucessivo da Análise de Componentes Principais (PCA), do Método de Cluster Hierárquico (MCH) e da Análise de Discriminantes (AD) permitiu a identificação de 4 classes. Vale ressaltar que tais métodos foram aplicados somente para os casos identificados como camadas únicas de nuvens, pois não se observou significativamente a ocorrência de nuvens com multicamadas. A origem de formação das classes de cirrus encontradas, embora apresentando propriedades macro- e microfísicas distintas, foi identificada basicamente como a mesma, isto é, provenientes da injeção de vapor dágua na atmosfera por meio de sistemas frontais e seu respectivo resfriamento para a formação dos cristais de gelo. O mesmo mecanismo de formação também é atribuído aos jatos subtropicais. Uma análise em relação ao perfil de temperatura e a comparação com a literatura mostrou que as cirrus classificadas apresentam possivelmente cristais em forma de placas e colunas hexagonais. As razões de lidar (RL) calculadas também estão de acordo com a literatura. / This pioneer work in Brazil, aimed at investigating cirrus clouds in the metropolitan region of São Paulo (23.33 ºS / 46.44 ºW), SP, observed by the MSP-Lidar system in June and July 2007. During this period, cirrus clouds were observed during approximately 54% of the time of all Lidar measurements available. The Lidar provided measurements with high spatial and temporal resolution measurements of these clouds that allowed characterizing and classifying them according to their macro-and microphysical properties. For such parameters, a unique methodology was developed for the Lidar data retrieval and a robust statistic was applied to determine the different classes of cirrus. The following steps were adopted to characterize the observations: (a) the determination of stationary periods (or observations) during the time evolution of cirrus detection, (b) determination of the base and top of clouds through a so called threshold value to derive the macrophysical variables (altitude, temperature, geometrical thickness), (c) the application of the transmittance method for each layer and the determination of cloud microphysical variables (optical depth and Lidar ratio). In this process, the Lidar ratio is calculated iteratively until a convergence of this value is achieved. Multivariate statistical analyses were performed to determine the classes of cirrus. These classes are based on geometric thickness, average altitude and the respective temperature, relative altitude (difference between tropopause height and cloud top) and optical depth. The successive use of Principal Component Analysis (PCA), Hierarchical Clustering Method (HCM) and Discriminant Analysis (DA) allowed the identification of four classes of cirrus. It is important to point out here that such methods were applied only to cases identified as single layers of clouds, due to the rare occurrence of multilayered clouds. The origin of formation for the four cirrus classes, though they have distinct macro-and microphysical properties, was found to be basically the same, i.e., from the injection of water vapor in the atmosphere provided by frontal systems, followed by the cooling process to form ice crystals. The same formation mechanism is also attributed to the subtropical jet. An analysis of the temperature profile and comparison with the literature showed that the cirrus crystals possibly have the form of hexagonal plates and columns. The Lidar Ratio (LR) was also found to be in accordance with the literature.

Nuvens desempenham um papel fundamental no balanço radiativo terrestre, e o conhecimento de suas propriedades micro e macrofísicas é importante para o estudo do clima global. O desenvolvimento convectivo de nuvens está intimamente relacionado ao comportamento microfísico de seus hidrometeoros, os quais são influenciados pela variação nas concentrações de aerossóis disponíveis na atmosfera. Este trabalho utiliza o sensoriamento remoto por satélites para analisar a evolução diurna de propriedades ópticas de hidrometeoros de nuvens sobre a Amazônia. Para tanto, medidas de radiância efetuadas pelos canais 1, 2 e 4 do satélite geoestacionário GOES 13 para os anos de 2012, 2013, 2014 e 2015 foram aliadas a códigos computacionais de transferência radiativa visando a obtenção de estimativas de raios efetivos de gotas e partículas de gelo em nuvens convectivas. A variação temporal de parâmetros microfísicos ao longo do dia foi analisada durante as estações seca e úmida em dois locais prístinos e outros dois locais significativamente atingidos pela fumaça de queimadas na Amazônia. A profundidade óptica de aerossóis ( a em 550 nm) variou de 0,1 a 0,2 na maior parte do ano (estação úmida) sobre todos os locais. Na estação seca nos sítios prístinos observou-se um a em torno de 0,5 unidades, e de cerca de 0,8 nos sítios degradados. Os resultados mostram que para todos os locais analisados há 32% mais pixels de nuvens durante a estação úmida do que na seca. As distribuições relativas de refletâncias em 0,63 m e da temperatura de brilho em 11 m indicam que em todos os sítios e épocas do ano há predominância de nuvens menos espessas e mais quentes sobre a Amazônia. A análise da refletância em 3,90 m indicou que nos quatro locais ocorre uma redução do raio efetivo de hidrometeoros de nuvens quentes na estação seca em relação à estação úmida. A distribuição de raios efetivos é bimodal para todos os sítios e estações analisados, sendo a variação diurna dessa distribuição consistente com processos de desenvolvimento vertical de nuvens e crescimento de hidrometeoros. Esse mecanismo ocorre de maneira distinta em locais mais e menos poluídos, sendo que para regiões mais poluídas e desmatadas o desenvolvimento vertical de tamanhos de partículas na época seca se dá de maneira mais lenta do que na úmida. Para as áreas mais atingidas pela pluma de fumaça durante a estação seca os raios efetivos de gotas/cristais de gelo com temperatura de brilho maior que -20°C praticamente não mudam, sofrendo uma variação máxima de 2 m num período de 2 horas. Para o mesmo intervalo de temperaturas e de tempo a estação seca em ambientes mais limpos apresenta uma variação de até 6 m nos raios efetivos das partículas. Esse resultado é parcialmente compatível com modelos conceituais que procuram explicar efeitos microfísicos de aerossóis sobre o tamanho de hidrometeoros em nuvens. O atraso no crescimento vertical de hidrometeoros é mais pronunciado perto do meio dia solar e em locais onde as concentrações de aerossóis provenientes de queimadas são maiores. / Clouds play a key role in Earths radiative balance. The knowledge of its micro and macrophysical properties is important for the study of global climate. The life cycle of convective clouds is closely related to the microphysics of its hydrometeors, which are influenced by many factors including variations in the concentration of atmospheric aerosols. This study uses remote sensing by a satellite to analyze the diurnal evolution of reflective properties of clouds over Amazon. Radiance measurements performed by channels 1, 2 and 4 of the imager instrument onboard GOES-13 geostationary satellite, from 2012 to 2015, were analyzed using radiative transfer and computational codes. This allowed deriving estimates of the effective radius of cloud droplets and ice particles in convective clouds. The temporal variation of microphysical parameters throughout the day was analyzed during the dry and wet seasons at two pristine sites and two other sites significantly affected by biomass burning smoke in the Amazon. The aerosol optical depth ( a at 550 nm) ranged from 0.1 to 0.2 for most of the year (wet season) over all sites. In the dry season at the pristine sites a a of about 0.5 units was observed, while about 0.8 units were measured at the degraded sites. The results show that for all analyzed sites there were 32% more cloudy pixels during the wet season than in the dry season. The relative distribution of reflectance at 0.63 m and the brightness temperature at 11 m indicate that at all sites and times of the year there is a predominance of shallow warm clouds in the Amazon. The analysis of the reflectance at 3.90 m indicated that at the four sites a reduction of the effective radius of hydrometeors in warm clouds occurs in the dry season in comparison to the wet season. The distribution of effective radius is bimodal for all sites and seasons. The diurnal variation of this bimodal distribution is consistent with processes of vertical cloud development and hydrometeor growth. This mechanism occurs differently in the pristine and degraded sites. At polluted and deforested regions the vertical development of particle sizes in the dry season occurs more slowly than in pristine ones. For the areas more affected by smoke plumes during the dry season the effective radius of drops/ice crystals of clouds with brightness temperature greater than -20°C show small changes with height, undergoing a maximum variation of 2 m in 2 hours. For the same temperature range and time interval in the dry season, clouds in cleaner environments showed a variation up to 6 m in the effective radius of particles. This result is partly compatible with conceptual models that seek to explain microphysical effects of aerosols on the size of hydrometeors. The vertical growth delay of hydrometeors is more pronounced near local solar noon and in places where the concentration of smoke aerosols is higher.

Este trabalho, sendo pioneiro no Brasil, teve o intuito de efetuar uma investigação das nuvens cirrus na região Metropolitana de São Paulo (23,33ºS / 46,44ºW), SP, através do sistema MSP-Lidar para o período de Junho à Julho de 2007. Durante este período, foi verificada uma ocorrência de cirrus de aproximadamente 54% sobre o total de medidas efetuadas pelo sistema Lidar. Medidas com Lidar nos forneceram uma alta resolução espacial e temporal destas nuvens, permitindo assim caracterizá-las e classificá-las de acordo com as suas propriedades macro- e microfísicas. Para obter tais parâmetros, uma metodologia própria foi desenvolvida na recuperação dos dados de Lidar e uma robusta estatística foi aplicada para determinar as diferentes classes de cirrus. A metodologia adotada se resumiu basicamente (a) na determinação de períodos estacionários (ou observações) durante a evolução temporal de detecção de cirrus, (b) determinação da base e topo através de um valor limiar para o cálculo das variáveis macrofísicas (altitudes, temperaturas, espessuras geométricas), (c) aplicação do método da transmitância para cada camada de nuvem e a determinação das variáveis microfísicas (profundidade óptica e razão de Lidar). Neste processo, a razão de Lidar é calculada iterativamente até que haja a convergência da mesma. Análises estatísticas de multivariáveis foram efetuadas para a determinação das classes de cirrus. Estas classes são baseadas na espessura geométrica, altitude média e sua respectiva temperatura, a altitude relativa (diferença entre a altura da tropopausa e topo da nuvem) e a profundidade óptica. O uso sucessivo da Análise de Componentes Principais (PCA), do Método de Cluster Hierárquico (MCH) e da Análise de Discriminantes (AD) permitiu a identificação de 4 classes. Vale ressaltar que tais métodos foram aplicados somente para os casos identificados como camadas únicas de nuvens, pois não se observou significativamente a ocorrência de nuvens com multicamadas. A origem de formação das classes de cirrus encontradas, embora apresentando propriedades macro- e microfísicas distintas, foi identificada basicamente como a mesma, isto é, provenientes da injeção de vapor dágua na atmosfera por meio de sistemas frontais e seu respectivo resfriamento para a formação dos cristais de gelo. O mesmo mecanismo de formação também é atribuído aos jatos subtropicais. Uma análise em relação ao perfil de temperatura e a comparação com a literatura mostrou que as cirrus classificadas apresentam possivelmente cristais em forma de placas e colunas hexagonais. As razões de lidar (RL) calculadas também estão de acordo com a literatura. / This pioneer work in Brazil, aimed at investigating cirrus clouds in the metropolitan region of São Paulo (23.33 ºS / 46.44 ºW), SP, observed by the MSP-Lidar system in June and July 2007. During this period, cirrus clouds were observed during approximately 54% of the time of all Lidar measurements available. The Lidar provided measurements with high spatial and temporal resolution measurements of these clouds that allowed characterizing and classifying them according to their macro-and microphysical properties. For such parameters, a unique methodology was developed for the Lidar data retrieval and a robust statistic was applied to determine the different classes of cirrus. The following steps were adopted to characterize the observations: (a) the determination of stationary periods (or observations) during the time evolution of cirrus detection, (b) determination of the base and top of clouds through a so called threshold value to derive the macrophysical variables (altitude, temperature, geometrical thickness), (c) the application of the transmittance method for each layer and the determination of cloud microphysical variables (optical depth and Lidar ratio). In this process, the Lidar ratio is calculated iteratively until a convergence of this value is achieved. Multivariate statistical analyses were performed to determine the classes of cirrus. These classes are based on geometric thickness, average altitude and the respective temperature, relative altitude (difference between tropopause height and cloud top) and optical depth. The successive use of Principal Component Analysis (PCA), Hierarchical Clustering Method (HCM) and Discriminant Analysis (DA) allowed the identification of four classes of cirrus. It is important to point out here that such methods were applied only to cases identified as single layers of clouds, due to the rare occurrence of multilayered clouds. The origin of formation for the four cirrus classes, though they have distinct macro-and microphysical properties, was found to be basically the same, i.e., from the injection of water vapor in the atmosphere provided by frontal systems, followed by the cooling process to form ice crystals. The same formation mechanism is also attributed to the subtropical jet. An analysis of the temperature profile and comparison with the literature showed that the cirrus crystals possibly have the form of hexagonal plates and columns. The Lidar Ratio (LR) was also found to be in accordance with the literature.

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.

Tempestades severas ocorrem na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) principalmente nos meses quentes e úmidos do ano. Nesta tese, os mecanismos de disparo da convecção profunda são estudados por meio de análises observacionais e simulações numéricas com o Advanced Regional Prediction System (ARPS). A metodologia proposta compreende o uso da parametrização microfísica fria na simulação dos processos físicos que levam à formação de nuvens cumulonimbus, sem o uso da parametrização de cúmulos nas grades de altíssima resolução espacial. Nos eventos estudados, as primeiras células de precipitação observadas e simuladas surgiram em razão da interação entre o escoamento atmosférico na camada limite planetária e a topografia local. As células secundárias foram geralmente mais intensas, uma vez que elas surgiram após o aquecimento diabático adicional. O mecanismo de disparo das células secundárias foi a corrente ascendente induzida pela propagação horizontal das frentes de rajada em baixos níveis da atmosfera das correntes descendentes das células primárias. As frentes de rajada tiveram velocidade de propagação horizontal típica de 6 m s-1. No evento de 02 de fevereiro de 2004, células convectivas profundas foram simuladas com alto grau de realismo no domínio da grade de 3 km de resolução espacial. Observou-se que, neste caso, a frente de brisa marítima pôde atuar como guia de ondas para a colisão entre duas frentes de rajada. A propagação da frente de brisa marítima para o interior do continente ocorreu em conjunção a um forte gradiente de vapor dágua nos níveis mais baixos da troposfera. As células convectivas profundas secundárias surgiram e se desenvolveram exatamente nesta zona de interface, a qual representa o contraste entre as diferentes massas de ar marítima e continental. No evento de 04 de fevereiro de 2004, na grade de 1 km de resolução, a análise objetiva com as medidas das estações de superfície na RMSP correspondente às 1800 UTC indicou a presença de uma ilha de calor urbana com até 4 oC de aquecimento diferencial entre a Capital e vizinhanças. O principal efeito da assimilação destas medidas foi a redução do NCL em até 80 hPa, o que favoreceu o disparo da convecção naquela área. / Severe thunderstorms occur in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP) mainly in the warm and wet months of the year. In this work, the triggering mechanisms of deep convection are studied through observed data and numerical simulations with the Advanced Regional Prediction System (ARPS). The proposed methodology focuses in the use of microphysics parameterization of cold clouds to simulate physical process linked to the life cycle of thunderstorms. The cumulus cloud parameterization isnt used in high resolution numerical grids. In the real case studies, both observed and simulated, early convective cells developed as a consequence of the interaction between the planetary boundary layer atmospheric flow and the local topography. The secondary convective cells were generally strongest, once they developed after additional surface diabatic heating. The triggering mechanism of these secondary cells was the updraft induced by gust fronts generated by downdrafts of primary cells. The gust fronts had a typical horizontal propagation velocity of 6 m s-1. In the February 02 2004 event, deep convective cells were simulated with high degree of realism with a 3 km resolution grid. It was observed that, in this case, the sea-breeze front could act as a wave guide to the collision between two different gust fronts. In addition, the sea breeze front propagated to the continental area together with a strong low level water vapor gradient. The secondary deep convective cells arose and developed exactly on this interface zone, which represents the contrast between the oceanic and continental air masses. The interface zone was marked by a water vapor mixing rate of 14 g kg-1. In the February 04 2004 event, the objective analysis, made with some MASP´s surface stations measurements at 1800 UTC in the 1 km resolution grid, indicates the presence of an urban heat island with up to 4 oC of differential heating between São Paulo city and its neighboring area. The main effect in assimilating these surface measurements was the lowering of the lift condensation level up to 80 hPa, which favored the triggering of convection in that area.