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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-08022019-141530 |
| Date | 30 November 2018 |
| Creators | Gouveia, Diego Alves |
| Contributors | Barbosa, Henrique de Melo Jorge |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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