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@PhDThesis{Cecchini:2017:AeThEf,
               author = "Cecchini, Micael Amore",
                title = "Aerosol and thermodynamic effects on the formation and evolution 
                         of Amazonian clouds as observed from aircraft measurements",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2017",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2017-04-28",
             keywords = "Amazon, cloud microphysics, aerosol-cloud interactions, Gamma DSD, 
                         Amaz{\^o}nia, microf{\'{\i}}sica de nuvens, 
                         intera{\c{c}}{\~o}es aeross{\'o}is-nuvens, DSD gamma.",
             abstract = "Convective clouds over the Amazon are a key component of the South 
                         America and global climate systems. Nonetheless, they are poorly 
                         understood and models struggle to represent them appropriately. 
                         One of the primary reasons for that is the lack of data available 
                         for this type of cloud. Satellite retrievals have high underlying 
                         uncertainties for continental regions, especially considering the 
                         variability of surface reflectance between forested and deforested 
                         regions. The inherent lack of infrastructure also hampers the 
                         deployment of continuous field experiments. Additionally, the 
                         underlying physical processes in tropical clouds and their 
                         relation to aerosols is an open scientific question. This study 
                         aims at contributing to filling this gap by reporting on recent 
                         aircraft measurements over the Amazon, encompassing forested, 
                         deforested, urbanized, and maritime regions. One of the focus was 
                         on studying the interactions between the pollution plume generated 
                         by Manaus, a 2-million-inhabitant city surrounded by hundreds of 
                         km of rainforest, and the surrounding clouds. This was achieved by 
                         a low-altitude research aircraft that continuously penetrated the 
                         plume region and its surrounding cleaner air downwind from Manaus. 
                         Another research aircraft performed long range flights from remote 
                         regions on northern and northwestern Amazon, to the 
                         biomass-burning-polluted Arc of Deforestation in the south, and 
                         off the coast of Amap{\'a} State for the maritime reference. Both 
                         small and large scale approaches showed a primary role of aerosols 
                         on the warm-phase microphysical characteristics of Amazonian 
                         clouds regardless of thermodynamic conditions. Sensitivity 
                         calculations demonstrated that when aerosol number concentrations 
                         increase by 100%, there is an +84\% and -25\% response on cloud 
                         droplet number concentration and effective diameter, respectively. 
                         On the other hand, when updraft speeds strengthen by the same 
                         amount, droplet number concentrations increase by 43\% and almost 
                         no effect is seen on the effective diameter. It shows that 
                         aerosols have significant impacts on the clouds microphysical 
                         structure, while updrafts modulate the amount of condensed water. 
                         In this study, it is proposed that the aerosol-cloud interactions 
                         can be studied by using the Gamma droplet size distribution (DSD) 
                         parameterization and its phase state. The phase state is defined 
                         by the three parameters that define the Gamma curve and can be 
                         visualized in an 3D plot. Polluted and clean clouds were found to 
                         populate different regions in this space, where each point 
                         represents one DSD measurement. By sequentially connecting points 
                         associated to increasing altitudes, it was possible to infer the 
                         DSD evolution during the clouds development and define 
                         trajectories in the phase space. The trajectories of polluted and 
                         clean clouds where substantially different given the different 
                         balance between condensational and collection growth mechanisms. 
                         It is suggested that those growth processes can be represented by 
                         pseudo-forces in the 3D phase space because they are able to 
                         generate displacements. The pseudo-force balance in clean clouds 
                         were found to favor their development into the phase space region 
                         favorable for fast glaciation, while polluted clouds remained 
                         outside of it. As a consequence, clean clouds readily glaciate 
                         above the 0 \$^{o}C\$ isotherm while supercooled droplets 
                         persist in polluted system. This was confirmed by hydrometeor 
                         sphericity measurements. Overall, this work contributes to the 
                         understanding of Amazonian clouds by both providing statistics of 
                         their microphysical properties and by suggesting a new way to 
                         study the underlying physical processes in the Gamma phase space. 
                         The two approaches can be useful to infer specific modeling 
                         weaknesses regarding tropical clouds as well as steer the 
                         development of new parameterizations. RESUMO: As nuvens 
                         convectivas sobre a Amaz{\^o}nia s{\~a}o uma importante 
                         componente do sistema clim{\'a}tico global e da Am{\'e}rica do 
                         Sul. No entanto, o seu conhecimento cient{\'{\i}}fico {\'e} 
                         limitado e, consequentemente, s{\~a}o mal representadas pelos 
                         modelos. Uma das principais raz{\~o}es para isto {\'e} a falta 
                         de dados a respeito deste tipo de nuvem. Estimativas por 
                         sat{\'e}lite apresentam grandes incertezas sobre regi{\~o}es 
                         continentais, especialmente se considerarmos que a regi{\~a}o 
                         amaz{\^o}nica apresenta significativa variabilidade na 
                         reflet{\^a}ncia de superf{\'{\i}}cie entre regi{\~o}es 
                         florestadas e desmatadas. A inerente falta de infraestrutura na 
                         floresta tamb{\'e}m dificulta a execu{\c{c}}{\~a}o de 
                         experimentos de campo. Adicionalmente, os processos 
                         f{\'{\i}}sicos nas nuvens tropicais e sua rela{\c{c}}{\~a}o 
                         com os aeross{\'o}is {\'e} ainda uma quest{\~a}o 
                         cient{\'{\i}}fica em aberto. Este estudo tem como objetivo 
                         contribuir para esta lacuna de conhecimento atrav{\'e}s da 
                         an{\'a}lise de dados recentes coletados sobre a Amaz{\^o}nia em 
                         regi{\~o}es florestadas, desmatas, urbanizadas e 
                         mar{\'{\i}}timas. Um dos focos foi o estudo dos efeitos da pluma 
                         de polui{\c{c}}{\~a}o emitida por Manaus, uma cidade de 2 
                         milh{\~o}es de habitantes cercada por centenas de 
                         quil{\^o}metros de floresta, nas nuvens pr{\'o}ximas. Para isto, 
                         foram analisados dados coletados por aeronave de baixa altitude 
                         que penetrou repetidamente a pluma de polui{\c{c}}{\~a}o e o ar 
                         mais limpo ao seu redor. Outra aeronave realizou voos de longo 
                         alcance, desde regi{\~o}es remotas no Norte e Noroeste da 
                         Amaz{\^o}nia, ao Arco de Desmatamento altamente polu{\'{\i}}do 
                         pela queima de biomassa mais ao Sul e at{\'e} regi{\~a}o 
                         oce{\^a}nica pr{\'o}xima {\`a} costa do estado do Amap{\'a}. 
                         Ambas abordagens mostraram o papel prim{\'a}rio dos 
                         aeross{\'o}is na forma{\c{c}}{\~a}o das 
                         caracter{\'{\i}}sticas microf{\'{\i}}sicas da fase quente das 
                         nuvens amaz{\^o}nicas independente das condi{\c{c}}{\~o}es 
                         termodin{\^a}micas. C{\'a}lculos de sensibilidade mostraram que 
                         aumentos de 100\% na concentra{\c{c}}{\~a}o de aeross{\'o}is 
                         geram uma resposta de +84\% e -25\% na concentra{\c{c}}{\~a}o 
                         de gotas e no di{\^a}metro efetivo, respectivamente. Por outro 
                         lado, quando as correntes ascendentes s{\~a}o intensificadas na 
                         mesma propor{\c{c}}{\~a}o, o aumento nas 
                         concentra{\c{c}}{\~o}es de gotas {\'e} de apenas 43\% enquanto 
                         que o di{\^a}metro efetivo se mant{\'e}m praticamente 
                         inalterado. Isto mostra que os aeross{\'o}is s{\~a}o capazes de 
                         alterar a estrutura microf{\'{\i}}sica das nuvens, enquanto que 
                         as correntes ascendentes modulam o conte{\'u}do de {\'a}gua 
                         condensada. Neste estudo {\'e} proposto que as 
                         intera{\c{c}}{\~o}es entre os aeross{\'o}is e as nuvens podem 
                         ser estudadas atrav{\'e}s do uso da parametriza{\c{c}}{\~a}o 
                         Gamma das distribui{\c{c}}{\~o}es de tamanho de gotas (DSDs) e o 
                         seu espa{\c{c}}o de fase. Tal espa{\c{c}}o de fase {\'e} 
                         caracterizado pelos tr{\^e}s par{\^a}metros que definem a curva 
                         Gamma e pode ser visualizado em gr{\'a}ficos tridimensionais. 
                         Detectou-se que as nuvens polu{\'{\i}}das e limpas ocupam 
                         diferentes regi{\~o}es desse espa{\c{c}}o, onde cada ponto 
                         representa uma medida de DSD. Ao conectar sequencialmente os 
                         pontos associados a crescentes altitudes, foi poss{\'{\i}}vel 
                         obter a evolu{\c{c}}{\~a}o das DSDs ao longo do desenvolvimento 
                         das nuvens e definir trajet{\'o}rias no espa{\c{c}}o de fase. 
                         Neste sentido, foi observado que as nuvens polu{\'{\i}}das e 
                         limpas apresentam trajet{\'o}rias significativamente diferentes 
                         devido ao diferente balan{\c{c}}o entre os processos de 
                         crescimento por condensa{\c{c}}{\~a}o ou 
                         colis{\~a}o-coalesc{\^e}ncia. Uma vez que os processos de 
                         crescimento das gotas geram movimentos no espa{\c{c}}o, foi 
                         proposto que tais mecanismos podem ser representados por 
                         pseudo-for{\c{c}}as. O balan{\c{c}}o das pseudo-for{\c{c}}as 
                         nas nuvens limpas contribui para a sua evolu{\c{c}}{\~a}o para a 
                         regi{\~a}o favor{\'a}vel aos processos de glacia{\c{c}}{\~a}o, 
                         enquanto que nuvens polu{\'{\i}}das se mantiveram fora desta. 
                         Consequentemente, as nuvens limpas glaciam rapidamente ao 
                         ultrapassar a isoterma de 0 \$^{o}C\$, enquanto que gotas 
                         super-resfriadas persistem em nuvens polu{\'{\i}}das. Isto foi 
                         confirmado por medidas da esfericidade dos hidrometeoros. De modo 
                         geral, este trabalho contribui para o entendimento das nuvens da 
                         Amaz{\^o}nia tanto do ponto de vista estat{\'{\i}}stico de suas 
                         caracter{\'{\i}}sticas microf{\'{\i}}sicas quanto do ponto de 
                         vista f{\'{\i}}sico ao propor o estudo dos processos no 
                         espa{\c{c}}o de fase Gamma. As duas abordagens podem ser 
                         {\'u}teis para identificar falhas espec{\'{\i}}ficas em modelos 
                         num{\'e}ricos, assim como auxiliar no desenvolvimento de novas 
                         parametriza{\c{c}}{\~o}es.",
            committee = "Fish, Gilberto Fernando (presidente) and Machado, Luiz Augusto 
                         Toledo (orientador) and Vila, Daniel Alejandro and Dias, Maria 
                         Assun{\c{c}}{\~a}o Faus da Silva and Wendish, Manfred",
         englishtitle = "Efeitos da termodin{\^a}mica e dos aeross{\'o}is na 
                         forma{\c{c}}{\~a}o e evolu{\c{c}}{\~a}o de nuvens sobre a 
                         Amaz{\^o}nia observados por aeronaves",
             language = "en",
                pages = "199",
                  ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3NKDGFS",
                  url = "http://urlib.net/rep/8JMKD3MGP3W34P/3NKDGFS",
           targetfile = "publicacao.pdf",
        urlaccessdate = "25 nov. 2020"
}


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