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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.14.2021.tde-01032021-221031
Document
Auteur
Nom complet
Isidro Metódio Tuleni Johanes Ihadua
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Pereira Filho, Augusto Jose (Président)
Calvetti, Leonardo
França, José Ricardo de Almeida
Karam, Hugo Abi
Rodriguez, Carlos Augusto Morales
Titre en portugais
Análise microfísica de sistemas precipitantes no leste de São Paulo por meio de radares meteorológicos polarimétricos
Mots-clés en portugais
célula convectiva
classificação de hidrometeoros
granizo.
polarimetria
Radar
rotação ciclônica
Resumé en portugais
Este trabalho teve como tema de estudo análise microfísica dos sistemas precipitantes atuantes sobre a Região Leste de São Paulo (RLSP) com ênfase na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). São discutidas nesta tese questões relacionadas ao impacto da urbanização nos processos microfísicos de sistemas precipitantes associados a sistemas de escala sinótica, mesoescala e escala local. Entre as questões abordadas estão o impacto da ilha de calor urbano (ICU) e o adensamento urbano verticalizado na microfísica, dinâmica e termodinâmica, e distribuição das precipitações e chuvas mais intensas durante a evolução espaço-temporal dos eventos de brisa marítima (BM) e convecções isoladas (CIs), e bandas dispersas (BDs) induzidas por frente fria (FF) com e sem fumaça de incêndios na Amazônia. A metodologia proposta para a realização do projeto compreende cinco componentes: classificação de hidrometeoros com a lógica fuzzy, cálculos do diâmetro da gota de chuva, da massa de água líquida e massa de água sólida e da taxa de chuva a partir das variáveis polarimétricas medidas com radares meteorológicos de dupla polarização banda X e banda S e dados de radiossondagens. Os resultados da classificação de hidrometeoros são comparados com as medidas observadas dos radares meteorológicos Doppler. Os resultados mostram que as variações microfísicas das proporções de mistura de diferentes hidrometeoros e os parâmetros dinâmicos e termodinâmicos associados às células convectivas, influenciaram na produção de chuva forte. Os resultados também indicaram que a urbanização impacta na formação da precipitação, massa de água líquida e massa de água sólida, profundidade e duração longa das células convectivas (CIs) e tempestade induzida por combinações de BM, FF e ICU que se formam na RMSP. As CIs se formam no centro geométrico da RMSP, geralmente induzidas por rotação ciclônica que as tornam mais profundas e de duração longa, percorrendo longas distâncias sobre regiões de adensamento urbano da RMSP. Os resultados mostraram que os eventos que atuam na RMSP, dependem de processos microfísicos de nuvem mista (água e gelo) acima da isoterma 0°C para produção de chuva forte. Observou-se que o processo de descongelamento das pedras de granizo inicia quando precipitam a partir da isoterma 0°C que transformam-se em gotas grandes já a partir da isoterma 0°C. A quantidade de pedras de granizo diminui e a quantidade de gotas grandes aumenta paulatinamente, à medida que estes hidrometeoros precipitam da base da isoterma 0°C para temperaturas > 0°C para as regiões inferiores das células convectivas. Notou-se que quando a CI é induzida por rotação ciclônica, uma porção das pedras granizo precipita intacta até à superfície, enquanto outra porção é terraformada em gotas grandes pelo processo de descongelamento. Quando a CI é induzida por convergência na superfície, descongela toda a quantidade de pedras de granizo que transforma-se em gotas grandes ao precipitar até à superfície. Os resultados mostraram que a tempestade induzida por combinações de BM, FF e ICU, resulta da integração de disparos de várias células convectivas secundárias intensas no centro geométrico da RMSP. A ICU induz fortes convergências entre os fluxos de noroeste e os fluxos da BM, retardando o deslocamento da frente de BM e da tempestade para fora do centro geométrico da RMSP, que influenciou na maior produção de granizo na área da tempestade acima da isoterma 0°C sobre o centro da cidade de São Paulo do que nas outras áreas da tempestade. Os resultados mostraram que a fumaça de incêndios na Amazônia, influenciou na redução do tamanho das gotas e na supressão generalizada da chuva das BDs induzidas por FF sobre a RMSP durante o Inverno de 2019. As BDs sem presença de fumaça produziram chuva generalizada, e com algumas células que produziram pedras de granizo e graupel nos núcleos acima da isoterma 0°C e gotas grandes na base da isoterma 0°C durante o Verão de 2019. Estes importantes processos microfísico, dinâmico e termodinâmico dentro das CIs e da tempestade resultante da integração das células convectivas secundárias induzidas por combinações de BM, FF e ICU, devem ser tidos em conta no esquema de parametrização dos modelos de nuvem, bem como a dinâmica e termodinâmica associada as piscinas frias na superfície, que são importantíssimos para a previsão, principalmente de curtíssimo prazo de perigo de precipitação de granizo e de chuvas fortes.
Titre en anglais
MICROPHYSICAL ANALYSIS OF PRECIPITATION SYSTEMS IN EASTERN SÃO PAULO BY USE OF WEATHER RADAR POLARIMETRIC
Mots-clés en anglais
classification of hydrometeors
Convective cell
cyclonic rotation
hail
polarimetry
radar
Resumé en anglais
This work is concerned with microphysical analysis of the precipitating systems on the Eastern Region of São Paulo (RLSP) with emphasis on the Metropolitan Area of São Paulo (RMSP). This manuscript deals with issues related to the impact of urbanisation on the microphysical processes of precipitating systems associated with synoptic, mesoscale, and local scale systems. Among the issues addressed are the impact of the urban heat island (ICU) and the vertical urban density in microphysics, dynamics and thermodynamics, and distribution of rainfall and more intense rainfall during the space-time evolution of sea breeze (BM) events and isolated convections (ICs), and scattered bands (BDs) induced by the cold front (FF) with and without smoke from fires in the Amazon. The proposed methodology for carrying out the project comprises five components: classification of hydrometeors with fuzzy logic, calculations of the diameter of the raindrop, of the liquid water mass and solid water mass, and the rain rate from the polarimetric variables measured with X-band and S-band dual-polarization weather radars and radiosonde data. The results of the hydrometeor classification are compared with the observed measurements of the Doppler weather radars. The results show that the microphysical variations of the mixing ratios of different hydrometeors and the dynamic and thermodynamic parameters associated with the convective cells influenced the production of heavy rain. The results also indicated that urbanization impacts the formation of precipitation, liquid water mass and solid water mass, depth and long duration of convective cells (ICs), and storm-induced by combinations of BM, FF, and ICU that form in the RMSP. ICs are formed in the geometric centre of the RMSP, generally induced by cyclonic rotation that makes them deeper and long-lasting, covering long distances over dense urban regions of in the RMSP. The results showed that the events that act in the RMSP, depend on mixed cloud microphysical processes (water and ice) above the 0°C isotherm to produce heavy rain. It was observed that the process of defrosting the hailstones starts when they precipitate from the 0°C isotherm which transforms into large drops already from the 0°C isotherm. The amount of hailstones decreases and the amount of large drops gradually increases, as these hydrometeors precipitate from the base of the 0°C isotherm for temperatures greater than 0°C for the lower regions of the convective cells. It was noted that when IC is induced by cyclonic rotation, a portion of the hailstones precipitates to the surface intact, while another portion is transformed into large drops by the thawing process. When IC is induced by convergence on the surface, it thaws the entire amount of hailstones that turn into large drops when it precipitates to the surface. The results showed that the storm-induced by combinations of BM, FF, and ICU, results from the integration of trigger from several intense secondary convective cells in the geometric centre of the RMSP. The ICU induces strong convergences between northwest flows and BM flows, delaying the displacement of the BM front and the storm out of the RMSP geometric centre, which influenced the greater hail production in the storm area above the 0°C isotherm over the city centre of São Paulo than in other areas of the storm. The results showed that the smoke from fires in the Amazon influenced the reduction in the size of the droplets and the generalised suppression of rain of the BDs induced by FF over the RMSP during the 2019 winter. The BDs without smoke produced generalised rain, and with some cells that produced hailstones and graupel in the nuclei above the 0°C isotherm and large drops at the base of the 0°C isotherm during the 2019 summer. These important microphysical, dynamic, and thermodynamic processes within ICs and the storm resulting from the integration of secondary convective cells induced by combinations of BM, FF, and ICU, must be taken into account in the parameterization scheme of the cloud models, as well as the dynamics and thermodynamics associated with cold pools on the surface, which are very important for the forecast, mainly very short-term risk of precipitation of hail and heavy rains.
 
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Date de Publication
2021-03-08
 
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