@PhDThesis{Moura:2021:PaAtEl,
author = "Moura, Jos{\'e} Davi Oliveira de",
title = "Parameterization of atmospheric electric discharges and the
effects on rain and NOx production",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2021",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2020-12-11",
keywords = "lightning, heavy rain, Eta model, autoconversion, NOx, nitrogen
oxides, rel{\^a}mpago, chuva intensa, modelo Eta,
autoconvers{\~a}o, NOx, {\'o}xidos de nitrog{\^e}nio.",
abstract = "A parameterization of lightning with effects on the production of
rain and nitrogen oxides is developed and applied to the regional
Eta model. The lightning parameterization scheme is a function of
variables diagnosed in the cloud microphysics and convection
parameterizations. The parameterization diagnoses the total
lightning (cloud-to-ground and intracloud), which affects the
process of collision and coalescence of cloud droplets and acts in
the chemistry of the atmosphere through the production,
destruction, and transport of nitric oxide
(\𝑁\𝑂), nitrogen dioxide
(\𝑁\𝑂2), nitric acid
(\𝐻\𝑁\𝑂3), nitrogen trioxide
(\𝑁\𝑂3) and dinitrogen pentoxide
(\𝑁2\𝑂5). The scheme is calibrated using
observational data of lightning. Numerical experiments are
conducted to evaluate lightning simulations and the effects during
three rainy months in southeastern Brazil. To assess the lightning
scheme, observed electric atmospheric discharge data, estimated
precipitation by satellite, and reanalysis data are used. The
results showed that the lightning scheme is able to reproduce the
monthly production and distribution of electrical discharges over
southeastern Brazil when compared to the observed data. The
lightning simulations showed a small underestimation concerning
the observed data. The inclusion of the effects of lightning in
the production of rain caused the intensification of electrical
activity. The lightning effects on rain production also caused an
increase in the mixing ratio of cloud ice at upper levels and a
decrease in cloud water at the lower levels in the troposphere. In
the case analyzed, the inclusion of the lightning effects in the
production of precipitation caused a decrease in specific humidity
in the lower levels of the troposphere and a decrease in the
vertical movement. The proposed scheme increases the frequency of
intense rains during the summer of 2017 and improves the
performance of the rain forecast in the model. The lightning
scheme showed a reasonable vertical profiles o NO and NO2 against
reanalysis data. The average values of the mixing ratio of the
chemical species simulated by the scheme are within the typical
magnitude as those found in the literature and reanalysis data.
Improvements could be applied in the lightning parameterization
scheme in the future as the simulation of ozone, simulation of
acid rain, better representation of the sinks of HNO3, and
diagnosis cloud-to-ground and intracloud lightning separately.
RESUMO: Uma parametriza{\c{c}}{\~a}o de descargas el{\'e}tricas
atmosf{\'e}ricas com efeitos na produ{\c{c}}{\~a}o de chuva e
{\'o}xidos de nitrog{\^e}nio foi desenvolvida e aplicada ao
modelo regional Eta. O esquema de parametriza{\c{c}}{\~a}o de
rel{\^a}mpagos {\'e} fun{\c{c}}{\~a}o de vari{\'a}veis
diagnosticadas na parametriza{\c{c}}{\~a}o de
microf{\'{\i}}sica da nuvens e de convec{\c{c}}{\~a}o. A
parametriza{\c{c}}{\~a}o gera o diagn{\'o}stico do total de
rel{\^a}mpagos (nuvem-solo e intranuvem) na grade do modelo que
afeta o processo de colis{\~a}o e coalesc{\^e}ncia de
got{\'{\i}}culas de nuvem e atua na qu{\'{\i}}mica da
atmosfera por meio da produ{\c{c}}{\~a}o, destrui{\c{c}}{\~a}o
e transporte de {\'o}xido n{\'{\i}}trico
(\𝑁\𝑂), di{\'o}xido de nitrog{\^e}nio
(\𝑁\𝑂2), {\'a}cido n{\'{\i}}trico
(\𝐻\𝑁\𝑂3), tri{\'o}xido de
nitrog{\^e}nio (\𝑁\𝑂3) e pent{\'o}xido de
dinitrog{\^e}nio (\𝑁2\𝑂5). O esquema foi
calibrado usando dados observacionais de rel{\^a}mpagos.
Experimentos num{\'e}ricos foram conduzidos para avaliar
simula{\c{c}}{\~o}es do esquema de rel{\^a}mpagos durante
tr{\^e}s meses chuvosos no sudeste do Brasil. Para avaliar o
esquema de rel{\^a}mpagos, dados observados de descargas
el{\'e}tricas atmosf{\'e}ricas, precipita{\c{c}}{\~a}o
estimada por sat{\'e}lite e dados de rean{\'a}lise foram
utilizados. Os resultados mostraram que o esquema de descargas
el{\'e}tricas atmosf{\'e}ricas {\'e} capaz de reproduzir a
produ{\c{c}}{\~a}o e distribui{\c{c}}{\~a}o mensal de
rel{\^a}mpagos na regi{\~a}o sudeste do Brasil quando comparados
aos dados observados. As simula{\c{c}}{\~o}es de rel{\^a}mpagos
mostraram uma pequena subestimativa em rela{\c{c}}{\~a}o aos
dados observados. A inclus{\~a}o dos efeitos dos rel{\^a}mpagos
na produ{\c{c}}{\~a}o da chuva ocasionou na
intensifica{\c{c}}{\~a}o da atividade el{\'e}trica das
simula{\c{c}}{\~o}es. Os efeitos dos rel{\^a}mpagos na
produ{\c{c}}{\~a}o de chuva tamb{\'e}m causaram um aumento na
raz{\~a}o de mistura do gelo de nuvem nos n{\'{\i}}veis
superiores da troposfera e uma diminui{\c{c}}{\~a}o na {\'a}gua
de nuvem nos n{\'{\i}}veis mais baixos da troposfera. No caso
analisado, a inclus{\~a}o dos efeitos de rel{\^a}mpago na
produ{\c{c}}{\~a}o de precipita{\c{c}}{\~a}o causou uma
diminui{\c{c}}{\~a}o da umidade espec{\'{\i}}fica nos baixos
n{\'{\i}}veis da troposfera e uma diminui{\c{c}}{\~a}o do
movimento vertical. O esquema proposto aumentou a frequ{\^e}ncia
de chuvas intensas durante o ver{\~a}o de 2017 e melhorou o
desempenho da previs{\~a}o de chuva no modelo. O esquema de
rel{\^a}mpagos foi capaz de reproduzir os perfis verticais de NO
e NO2 em rela{\c{c}}{\~a}o aos dados de rean{\'a}lise. Os
valores m{\'e}dios da raz{\~a}o de mistura das esp{\'e}cies
qu{\'{\i}}micas simuladas pelo esquema est{\~a}o dentro da
magnitude t{\'{\i}}pica encontrada na literatura e em dados de
rean{\'a}lise. Melhorias podem ser aplicadas no esquema de
parametriza{\c{c}}{\~a}o de raios no futuro como a
simula{\c{c}}{\~a}o de oz{\^o}nio, simula{\c{c}}{\~a}o de
chuva {\'a}cida, melhor representa{\c{c}}{\~a}o dos sumidouros
de \𝐻\𝑁\𝑂3 e diagn{\'o}stico descargas
el{\'e}tricas nuvem-solo e intranuvem separadamente.",
committee = "Nobre, Paulo (presidente) and Chan, Chou Sin (orientadora) and
Pinto Junior, Osmar and Brasseur, Guy Pierre F. G. and Hoelzemann,
Judith Johanna",
englishtitle = "Parametriza{\c{c}}{\~a}o de descargas el{\'e}tricas
atmosf{\'e}ricas e os efeitos na chuva e na produ{\c{c}}{\~a}o
de NOx",
language = "en",
pages = "112",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/43JCLGB",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/43JCLGB",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "30 abr. 2024"
}