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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.14.2006.tde-02042007-123958
Document
Author
Full name
Jorge Alberto Martins
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2006
Supervisor
Committee
Goncalves, Fabio Luiz Teixeira (President)
Almeida, Fausto Carlos de
Nicolini, Matilde
Oliveira, José Carlos Parente de
Rodriguez, Carlos Augusto Morales
Title in Portuguese
"Efeito dos núcleos de condensação na formação de nuvens e o desenvolvimento da precipitação na região amazônica durante a estação seca"
Keywords in Portuguese
aerossol
Amazônia
CCN
nuvens
precipitação
Abstract in Portuguese
O objetivo deste trabalho foi estudar o papel dos aerossóis em modificar o desenvolvimento das nuvens e da precipitação. Esta tem sido uma das mais intrigantes questões no estudo das mudanças climáticas. Medidas da concentração de núcleos de condensação de nuvens (CCN) e distribuições de gotículas de nuvem durante o Experimento de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia (LBA) revelaram características distintas entre condições atmosféricas limpas e poluídas. As medidas foram conduzidas no Sudoeste da Região Amazônica durante os meses de setembro e outubro de 2002, focando a transição do final da estação seca para o início da estação chuvosa. Durante a transição, a análise da concentração de CCN dentro da camada limite revelou um decréscimo geral, de valores acima de 1200 cm-3 para menos de 300 cm-3. A comparação entre áreas limpas e poluídas mostrou concentrações de CCN cerca de 5 vezes maiores em áreas poluídas. As diferenças não foram tão grandes nos níveis acima da camada limite. As medidas também mostraram um ciclo diurno acompanhando a atividade de queima de biomassa. Distribuições de tamanho de gotículas medidas em duas regiões com concentrações de aerossóis extremamente diferentes foram analisadas. Em condições poluídas pela queima de biomassa foi encontrada alta concentração de gotículas, com diâmetro médio e conteúdo de água de nuvem aumentando muito pouco com a altura, em comparação com regiões limpas. A função gama foi usada para ajustar as distribuições de gotículas e o parâmetro de forma da função foi usado como critério para definir adequadamente a melhor representação das distribuições de gotículas. De acordo com os valores encontrados, distribuições gama estreitas (parâmetro de forma em torno de 5) são mais bem indicadas para representar condições poluídas enquanto que aquelas mais largas se ajustam melhor em condições limpas (parâmetro de forma em torno de 2). Com base nesses resultados, experimentos numéricos foram conduzidos com o Brazilian Regional Atmospheric Modeling System (BRAMS) para investigar os efeitos da concentração de CCN e do parâmetro de forma das distribuições de gotículas no desenvolvimento da precipitação em nuvens convectivas tropicais. Os resultados mostraram uma grande sensibilidade devido às mudanças nesses parâmetros. Altas concentrações de CCN e distribuições de gotículas estreitas (parâmetros de forma maiores), típicas de dias poluídos, produziram baixos valores médios para água líquida integrada na coluna e precipitação acumulada na superfície. Por outro lado, tendência oposta a este efeito foi encontrada em condições limpas (baixos valores para ambos, a concentração de CCN e o parâmetro de forma). O parâmetro de forma se mostrou ser mais importante que a concentração de CCN. Os efeitos da concentração de CCN e do parâmetro de forma também influenciaram a distribuição espacial dos campos de nuvem e precipitação. Embora o valor médio desses campos tenha diminuído em condições poluídas, o valor máximo aumentou. Como conseqüência da menor dispersão nas nuvens em condições poluídas, mais radiação solar esteve disponível na superfície. Isto é oposto aos resultados dos modelos globais que mostram redução na radiação solar como conseqüência do segundo efeito indireto dos aerossóis. Da mesma forma, este estudo encontrou que as diferenças são reduzidas quando é incluído o efeito direto dos aerossóis em absorver ou refletir a radiação solar. Sobretudo, os resultados sugerem que um maior número de modelos com tratamento explícito dos processos microfísicos de nuvem são necessários. Esses modelos permitem comparações, podendo mostrar o melhor tratamento numérico a ser usado na representação dos efeitos dos aerossóis no processo de precipitação como um todo. Estes resultados são importantes porque melhoram a compreensão de como o clima será afetado como conseqüência das mudanças futuras.
Title in English
Effects of condensation nuclei on cloud formation and the development of precipitation in the dry season of the Amazonian region.
Keywords in English
aerosol
Amazonia
CCN
clouds
precipitation
Abstract in English
The objective of this work was to study the role of aerosols in modifying clouds and precipitation. This is one of the most difficult aspects in the study of climate changes. Field measurements of cloud condensation nuclei (CCN) and cloud size distributions performed during the Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia (LBA) campaign revealed distinct characteristics between clean and polluted atmospheric conditions. Measurements were conducted over the southwestern Amazon region during September-October 2002 focusing the transition from dry to wet seasons. During this period, analysis of CCN concentrations in the boundary layer revealed a general decreasing trend from mean values higher than 1200 cm-3 to values lower than 300 cm-3. The comparison between clean and polluted areas showed CCN concentrations 5 times higher than in polluted areas. These differences were not so strong above the boundary layer. Measurements also showed a diurnal cycle following the biomass burning activity. Cloud droplet size distributions at two regions with extremely different aerosols loading were also analyzed. During biomass-burning conditions, at high concentrations of cloud droplets, the mean diameter and liquid water content increased very little with altitude when compared with unpolluted conditions. A gamma distribution was used to fit the measured droplet spectra and the shape parameter was used as a criterion to define the best choice of spectra representation. According to the found values, narrow gamma distributions optimally fit polluted conditions (shape parameter around 5), while broad distributions are best fits for unpolluted conditions (shape parameter around 2). Based on these results, numerical experiments were carried out using the Brazilian Regional Atmospheric Modeling System (BRAMS) to investigate the effects of CCN concentrations and shape parameters of droplet spectra on the development of precipitation in tropical convective clouds. The results showed large sensitivity due to changes in these parameters. It was observed that high CCN concentrations and narrower cloud droplet distributions (high values for shape parameter), typical of the polluted days, produced low mean values of liquid water path and accumulated surface precipitation. On the other hand, an opposite trend to this effect was found under clean conditions (low CCN concentration and shape parameter values). Shape parameter showed to be much more important than CCN concentration. The effects of CCN concentration and shape parameter also influenced the spatial distribution of cloud and precipitation fields. Although mean values of these fields decreased under polluted conditions, maximum values were increased. Consequently, the less dispersion in clouds under polluted conditions, the more surface solar radiation was found. This is opposite to the results of global climate models, which predict reduction in solar radiation as a consequence of the second aerosol indirect effect. Also, it was found that the differences were reduced when the aerosols direct effect to absorb or reflect solar radiation is included. Moreover, the results suggest that additional models with explicit microphysics process treatment are necessary in order to allow further comparisons, which could show the best numerical treatment to be used in representing the aerosol effects on precipitation process. The importance of these results is to improve the understanding of future climate changes.
 
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tese_jmartins.pdf (3.36 Mbytes)
Publishing Date
2007-07-05
 
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