@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/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3NKDGFS",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}